DE1533313A1 - Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen. Es sind bereits Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen bekannt, gemäß denen ein Skelett von Hartstoffen aus Karbiden des Wolframs, Titans und Tantals, mit der Schmelze eines Metalls, wie etwa Kobalt, durchtränkt wird. Hierzu werden die Karbide beispielsweise entweder mit dem Metallpulver gemeinsam vermahlen, geformt und gesintert bzw. heiß gapreßt oder zu Körpern vorgeformt und mit der Schmelze des betreffenden Metalls getränkt. Als tränkende Metalle finden dabei vorwiegend Eisen, Kobalt, Nickel oder Kobalt-Chrom-, Nickel-Chrom- und Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierungen Verwendung. Norton (R.Kieffer, P.Schwarzkopf, "Hartstoffe und Metalle", Wien 1963, Seite 389) vertritt die Ansicht, daß nur solche Metalle als Bindestoffe eingesetzt werden können, von denen bekannt ist, daß deren Schmelzen die Hartstoffe zwar- benetzen und anläsen, jedoch mit ihnen keine weiteren festen, metallischen Phasen bilden, deren Entstehung das Bindemetall verbrauchen würde. Zudem behaupten R.Kieffer und F.Benesovsky ("üartmetalle", Wien 1965, Seite 440), daß Aluminium, Beryllium, Blei urs' f''.@atin für Titankarbid nicht als Bindesubstanzen geeignet seien und vertreten ferner die Ansicht ("Hartstoffe" Wien 1963, Seite 305), daß auch Titannitrid durch Aluminium-, Kupfer- und Eisenschmelzen nicht benetzt würde. Im Gegensatz zu den in Fachkreisen. demnach vertretenen Auf- fassungen wurde überraschenderweise gefunden, daß man Verbund- werkstoffe mit technisch vorteilhaften Eigenschaften herstellen kann, indem man ein Metall Ne mit einem Nitrid eines Elementes der 4. bis 6. Nebengruppe des periodischen Systeme der Elemente bei Temperaturen unterhalb der Sintertemperatur des Nitrides wenigstens zum Teil zu mindestens einer intermetalliechen Phase umsetzt, die sich aus den Elementen der Ausgangsstoffe zusammensetzt. Dabei sind unter Ne solche Metalle zu verstehen, die mit den Nitriden zu intermetallischen Phasen reagieren können, wie Beryllium, Blei, Gallium, Germanium, Mangan, die Platinme- talle, Silicium und Zinn sowie vorzugsweise Aluminium. Als Elemente der 4. bis 6. Nebengruppe des periodischen Systems der Elemente gelten in diesem Zusammenhang insbesondere die Elemente Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob und Tantal, sowie Chrom, Molybdän und Wolfram. Vorzugsweise wird Titan- nitrid eingesetzt. Die Reaktion der Nitride mit dem Metall Me wird vorzugsweise bei Temperaturen unterhalb der Sintertemperatur der Nitride durchgeführt. Damit die Poren eines aus den Nitriden vorgeformten Skelettkörpers nicht vorzeitig durch feste Reaktions- produkte verstopft werden, empfiehlt es sich, die Nitride mit einer Teilchengrüße von 10 bis 500 /u einzusetzen. Je nachdem wie die Verbundwerkstoffe zusammengesetzt sein sollen, kann das Metall Me ganz oder nur zum Teil mit den Nitriden umgesetzt werden. Der Grad dieser Umsetzung läßt sich durch entsprechende Wahl der Mengenverhältnisse von Me- tall zu Nitrid und entsprechende Wahl von Reaktionstemperatur und Reaktionsdauer in der gewünschten Weise steuern. Sehr erfolgreich läßt sich auch die neue Arbeitsweine im Rahmen des an sich bekannten Metallsprits- oder Plasma-Sprüh-Verfahrens einsetzen, indem man die pulverförmigen Nitride oder ein pulvriges Gemisch, bestehend aus den Nitriden sowie dem Metall Me, auf einen Metallkörper, beispielsweise aus Stahl, aufspritzt. In letzterem Falle be- steht auch die Möglichkeit, daß man die Nitride mit dem Metall Me reagieren läßt, bevor man sie in Form eines aus den Verbundwerkstoffen bestehenden Pulvers aufspritzt. Von den bekannten Verbundwerkstoffen aus fiartstoffen unter- scheiden sich die erfindungsgemäß hergestellten Werkstoffe dadurch, daß sie als Bindesubstanzen Phasen mit metallischem Charakter besitzen, die durch Reaktion eines tränkenden Me-_ talls mit den Nitriden entstanden sind. Diese Phasen weinen eine größere Härte und in allgemeinen höhere Schmelzpunkte als die zum Tränken eingesetzten Metalle auf. So zeigte sich beispielsweise, daß Titannitrid bei 800 bis 1000°C von einer Aluminiumochmelse benetzt wird und mit die- ser reagiert. Dabei bildet sich s.B. zwischen Titannitrid und Aluminium bei einer Temperatur von etwa 1000°C und einer Reak- tionszeit von 5 bis 15 Minuten eine Zwischenschicht aus, die im wesentlichen TiAl3 und A1N enthält. Durch diese Zwischen- schicht, die eine sehr große Härte und einen relativ hohen Schmels2unkt besitzt (T1A13 schmilzt unter Zersetzung erst oberhalb 13400C und @A1N schmilzt oberhalb 2000°C), werden die Nitridkörner untereinander und mit etwa noch vorhandenem Alu- minium innig verbunden. Durch Wahl der Reaktionszeit und der Temperatur kann die Reaktion auch so geführt werden, daß sich das eingesetzte Aluminium teilweise bsw. mehr oder weniger vollständig zu TIA13 umsetzt. Damit liegt dann ein Verbundwerk- stoff vor, bei dem die sehr harten TiN-Körner bzw.das TiN-Skelett durch ebenfalls sehr harte,in eitu entstandene Metallphasen verbunden sind. Auf diese Weise hergestellte Körper sind porenfrei.
• Die genannten Werkstoffe weisen eine Reihe von Vorteilen auf. So-wird 2.B. durch die Einbettung von verschieden harten Kristalliten verschiedener Phasen in die weichere Grundmasse des tränkenden Metalls eine erheblich größere Verformungsbeständigkei@ und günstigere Verschleißeigenschaften erzielt, als es bei sogenannten "Cermet"-Schichten der Fall ist, die aus Metall- oxiden und reinen Metallen zusammengesetzt sind bzw. die aus reinen, beispielsweise plasmagespritzten Oxiden bestehen. Die Tatsache, daß die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe aus den durch Reaktion der Nitride entstandenen intermetallischen Phasen bzw. nicht umgesetzten Nitriden bestehen - die metalli- sche Wärme- und elektrische Leitfähigkeit besitzen - hat zur Folge, daß die Wärmeleitfähigkeit ebenso wie die thermischen Ausdehnungekoeffizienten der verschiedenen Strukturbestandteile weit geringere Unterschiede aufweisen als die von Metall- Oxidgemischen, den genannten "Cermets". Hieraus ergibt sich der Vorteil der wesentlich erhöhten Beständigkeit gegenüber schroffen Temperaturwechseln.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1.) Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Metall Me mit einem Nitrid eines Elementes der 4. bis 6. Nebengruppe des periodischen Systems der Elemente bei Temperaturen unterhalb der Sintertemperatur des Nitrides wenigstens zum Teil zu mindestens einer metallischen Phase umsetzt, die sich aus den Elementen der Ausgangsatoffe_zusammensetzt, wobei unter He solche Metalle zu verstehen sind, die mit den Nitriden zu intermetallischen Phasen reagieren können, wie Beryllium, Blei, Gallium, Germanium, Mangan, die Platinmetalle, Silicium und Zinn sowie vorzugsweise Aluminium. 2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktion der Nitride mit dem Metall He bei Tem- peraturen unterhalb der Sintertemperatur der Nitride durchführt. 3.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge-kennzeichnet, daß man Nitride des Zirkons, xafniume, Vanadiums, Niobe und Tantals, sowie des Chroms, Molybdäns, Wolframs und vorzugsweise des Titans einsetzt. 4.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Nitride vorzugsweise mit einer Tailchengröße von 10 bis 500 /u einsetzt. 5.) Verfahren nach einem der Aneprtiche 1 bis 4, dadurch ge-kennzeichnet, daB das Metall Ne nur zum Teil umgesetzt wird. 6.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, daß man den Grad der Umsetzung zwischen den Nitriden und dem Metall Me durch entsprechende Wahl der Mengenverhältnisse von Metall zu Nitrid und entsprechende Wahl von Reaktionstemperatur und Reaktionsdauer in der gewünschten weise steuert. 7.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, daB man die pulverförmigen Nitride mit Hilfe des an sich bekannten Metallspritz- oder Plasma-Sprühverfahrens auf einen aus einem Metall Me bestehenden Kör- per aufspritzt. 8.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, daß man ein pulvriges Gemisch, bestehend aus den Nitriden sowie dem Metall Me, mit Hilfe des an sich bekannten Metallspritz- oder Plasma-Sprühverfahrens auf einen Metallkörper, beispielsweise aus Stahl, auf- spritzt. 9.) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, da9 man die Nitride mit dem Metall Me reagieren läBt, bevor man sie in Form eines aus den Verbundwerkstoffen bestehen- den Pulvers auf einen Metallkörper aufspritzt.