DE1571510A1

DE1571510A1 - Verfahren zur Herstellung von Konstruktionsteilen aus schwer schmelzbarem Werkstoff

Info

Publication number: DE1571510A1
Application number: DE19661571510
Authority: DE
Inventors: White Jack Lee; Pontelandolfo Joseph Michael
Original assignee: Gulf General Atomic Inc
Current assignee: Gulf General Atomic Inc
Priority date: 1965-06-23
Filing date: 1966-06-23
Publication date: 1971-03-18
Also published as: GB1152494A; US3346681A

Description

DIPL.-ING. RWeickmann, Dr. Ing. A.Weickmann, Dipl.-Ing. H. Weickmann Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Patentanwälte

8 MÜNCHEN 27, möhlstrasse 22, rufnummer 453921/22 I 57 I 5 I U

General Dynamics Corporation
One Rockefeller Plaza
New York, N.Y. USA

Verfahren zur Herstellung von Konstruktionsteilen aus schwer schmelzbarem Werkstoff·

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf schwer schmelzbare Werkstoffe und besonders auf Verfahren zur Herstellung von Produkten aus schwer schmelzbaren Werkstoffen mit verbesserten physikalischen und Gefügeeigenschaften und auf die durch diese Verfahren erzielten Produkte,

Man ist ständig auf der Suche nach Verbesserungen auf dem Gebiet der schwer schmelzbaren Werkstoffe um Produkte herzustellen, welche bei hohen Temperaturen und während noch längerer Zeiträume einsatzfähig sind. Wünschenswerte Eigenschaften solcher Produkte sind höhere Dichte und geringere Porengröße, welche eine höhere Festigkeit und eine geringere Gasdurchlässigkeit bedingt. Für die Verwendungszwecke dieser Anmeldung wird ein schwer schmelzbarer Werkstoff definiert als ein Werkstoff, welcher bei Temperaturen oberhalb etwa 1ooo° 0 eine gute Festigkeit besitzt. Ferner sollten die schwer schmelzbaren Werkstoffe, von denen in dieser Anmeldung die Rede ist, zu einem Konstruktionsteil aus zerkleinertem Gut bestehender Form geformt werden können, ohne notwendigerweise chemische Veränderungen zu erleiden·

Demgemäß umfaßt die Definition in gleicher Weise die speziellen schwer schmelzbaren Werkstoffe wie Kohlenstoff oder Graphit, wie auch die keramischen Werkstoffe und die Sintermetalle. Auch

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ist es wünschenswert, den Grad der Ausrichtung der Kristalle in einem Konstruktionsteil zu steuern, um eine Kontrolle über gerichtete physikalische Größen wie Wärmeausdehnung, Wärmeleitfähigkeit und durch Strahlung verursachte Oberflächeneffekte zu erhalten. Bei Kernreaktoren gibt es ein Gebiet, auf dem solche schwer schmelzbaren Werkstoffe besonders nutzbringend angewendet werden können· Verfahren zur Herstellung von Produkten aus schwer schmelzbarem Material mit verbesserten physikalischen Eigenschaften wie hoher Werkstoffestigkeit, hoher Dichte, geringer Gasdurchlässigkeit und einer gesteuerten Ausrichtung der Kristalle werden daher gesucht ·

Das Hauptziel dieser Erfindung ist es, Verfahren zur Herstellung verbesserter Produkte aus schwer schmelzbaren Werkstoffen anzugeben. Ein anderes Ziel ist es, Produkte aus sehr schwer schmelzbaren Werkstoffen mit hoher Werkstoffestigkeit, hoher Dichte, großer Haltbarkeit und großer Härte und geringer Gasdurchlässigkeit herzustellen und Herstellungsverfahren dafür anzugeben· Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, ein Herstellungsverfahren für Erzeugnisse aus.sehr schwer schmelzbaren Werkstoffen mit gesteuerter Ausrichtung der Kristalle anzugeben, welches einfach und wirtschaftlich ist· Weitere Ziele und Vorteile dieser Erfindung gehen aus den folgenden detaillierten Beschreibungen von Herstellungsverfahren mit verschiedenen Merkmalen der Erfindung und aus der Zeichnung hervor, die ein solches Verfahren schematisch zeigt.

Im allgemeinen umfaßt die Erfindung das Formen eines Konstruktionsteiles welches aus einem lOrmstück aus schwer schmelzbarem Werkstoff und einem geeigneten -"hmelzbaren Dispergierungsmittel besteht· Das Konstruktionsteil wird bis ate einer Tearperatur erhitzt,

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die genügt,.um das schmelzbare Dispergierungsmittel zu schmelzen und durch Druckaufwendung warmbearbeitet· Der Druck wird auf das Teil in einer Richtung ausgeübt und läßt es in einer, zu dieser im allgemeinen senkrecht stehenden Eichtung unbelastet, so daß es sich in der letzteren Eichtung ausdehnen kann· Das Warmbearbeiten wird während einer Zeitdauer fortgesetzt, so daß eine gewünschte bleibende Verformung des Teils entsteht«

Das schmelzbare Dispergierungsmittel kann jeder geeignete Stoff sein, der unterhalb der Verdampfungstemperatur oder Schmelztemperatur des schwer schmelzbaren Werkstoffs des Formstücks schmilzt oder mit einem Teil dieses Formstücke reagiert, so daß es flüssig wird. Es sollte auch keine nachteilige chemische Reaktion zwischen dem Werkstoff des Formstücks und dem Dispergierungsmittel stattfinden· Es ist wünschenswert, daß das schmelzbare Dispergierungsmittel in genügender Menge und gleichmäßig verteilt vorhanden ist, so daß der gesamte Werkstoff des Formstücke von diesem Dispergierungsmittel durchdrungen wird. Die überschüssige Schmelze wird aus dem Inneren des Konstruktionsteils während der Warmbearbeitung herausgepreßte

Während der Warmbearbeitung kann die im Formstückwerkstoff innewohnende GefügeOrdnung der Kristalle durch die Deformation der Kristalle während des Warmbearbeitens geändert werden. Der Grad der Ausrichtung der Kristalle hängt von der innewohnenden Gefügeordnung' des Ausgangsmaterials und von dem Ausmaß der Warmbearbeitung, das heißt von der aufgeweiteten gesamten Druckbeanspruchung ab₀

Betrachten wir jetzt im einzelnen die Arbeitsgänge eines, die vorliegende Erfindung erläuternden Verfahrens: ein schwer schmelzbarer Werkstoff in zerkleinerter Form mit geeigneter Größe der BAD ORIGIN^

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Zwischenräume (zwischen den einzelnen Teilchen) wird mit einer geeigneten Menge eines schmelzbaren Dispergierungsmittels homogen vermischt, so daß eine Charge entsteht, aus der ein Konstruktionsteil geformt werden kann_o

Zur Verdeutlichung wird in der Beschreibung der iirfindung Kohlenstoff als schwer schmelzbarer Werkstoff verwendet· Für die Zwecke dieser Anwendung sei unter Kohlenstoff sowohl amorpher Kohlenstoff als auch Graphit versta-nden· Es ist ,jedoch klar, daß andre schwer schmelzbare Werkstoffe wie Beryllium, Aluminium, Zirkonium, Titan und ähnliche Stoffe sowie Mischungen solcher Werkstoffe in gleicher Weise für die Verfahren dieser Erfindung verwendet werden können·

Wird als schwer schmelzbarer Werkstoff zerkleinerter Kohlenstoff verwendet, dann sollte die Teilchengröße zwischen etwa 5/U β 5 · 10 mm und etwa 10OiW und vorzugsweise zwischen etwa 10^ und etwa 5Ou liegen,. Größere Teilchen könnten Erzeugnisse mit relativ niedrigen Dichten und geringerer Werkstoffestigkeit, selbst nach der Warmbearbeitung, ergeben. Kleinere Teilchengrößen sind wohl nicht notwendig und würden die Herstellungskosten erhöhen·

Da es wünschenswert ist, das schmelzbare Dispergierungsmittel gleichmäßig in den Zwischenräumen des aus den Kohlenstoffteilchen gebildeten Formstücks verteilt zu erhalten, sollte die durchschnittliche Teilchengröße des schmelzbaren Dispergierungsmittels geringer sein, als die der KohlenstVffteilchen· Geeignete schmelzbare Dispergierungsffiittel für ein Kolileris'tJbfformstück sind die Karbide von Zirkonium, Molybdän, Uran, Mo*bium,' Thorium, Titan, Tantal, Vanadium, Wolfram, Aluminium und dl'e' ebeil"geüarinten reinen Metalle sowie diejenigen ihrer Verblrtdungert, diV'^bBim Erhitzen Karbide bilden·

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Vorzugsweise werden Zirkoniumkarbid oder Molybdänkarbid verwendet. Wenn ein anderer schwer schmelzbarer Werkstoff als Kohlenstoff verwendet wird, dann wird ein geeignetes schmelzbares Dispergierungsmittel ausgewählte

Die Menge des verwendeten Dispergierungsmittels sollte genügen, um eine plastische Verformbarkeit der Kohlenstoffteilchen bei der Temperatur der Warmbearbeitung herzustellen· Wird darüberhinaus eine größere Menge als ein gewisses berechenbares Maximum verwendet, dann wird Schmelze des Dispergierungsmittels aus der Oberfläche des Konstruktionsteils herausgepreßt werden«, Dadurch begrenzt sich die maximale Endkonzentration in dem fertigen Erzeugnis in gewisser Weise von selbst» Die spezielle Menge des verwendeten Dispergierungsmittels hängt von der speziellen Art dieses Mittels und des schwer schmelzbaren Werkstoffs ab„ So werden zum Beispiel, wenn Zirkoniumkarbid als Dispergierungsmittel in einem Kohlenstofformstück verwendet wird, anfängliche Mischungsverhältnisse von etwa 1o bis etwa 5o» vorzugsweise aber mindestens etwa 25 Gewichtsprozenten Zr^C, gemessen am Gesamtgewicht des Konstruktionsteils vor der Warmbearbeitung, verwendet· Im allgemeinen werden, wenn andere in Kohlenstoff als schwer schmelzbarem Werkstoff zu verteilende Dispergierungsmittel verwendet werden, gleichwertige Volumina des Dispergierungsmittels verarbeitet·

Das Mischen des zerkleinerten schwer schmelzbaren Werkstoffs mit dem schmelzbaren Dispergierungsmittel kann in jeder geeigneten Weise ausgeführt werden, um eine homogene Verteilung zu verbürgen· Vorzugsweise wird ein geeignetes Bindemittel verwendet um das nach folgende Formen zu erleichtern. Nach dem Mischen wird die vorbereitete Charge durch irgendein geeignetes Formverfahren, wie Warmpressen

oder Strangpressen zu einem Konstruktionsteil geeigneter Gestalt geformt« 109812/1309

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Das Teil kann anschließend in einer Schutzgasatmosphäre erhitzt werden, um alle flüchtigen Stoffe zu entfernen und/oder alle als Bindemittel verwendeten Stoffe zu karbonisieren· So wird ζ·Β· Heißpressen bei etwa 800° C während etwa einer Stunde oft angewendet.

Das Konstruktionsteil wird dann in einen Ofen gebracht, der es auf eine Temperatur erhitzen kann, die über dem Schmelzpunkt des schmelzbaren Dispergierungsmittels liegt. Diese Temperatur wird im folgenden als Warmbearbeitungstemperatur bezeichnet. Der Ofen ist mit einer Vorrichtung ausgestattet, wie etwa zwei gegenüberliegenden Kolben, die einen Druck auf zwei gegenüberliegende Seiten des Konstruktionsteils bei der Warmbearbeitungstemperatur ausüben kann» Die Kolben können aus jedem Werkstoff hergestellt sein, der geeignet ist, bei der Warmbearbeitungstemperatur der Verformung durch die Druckbeanspruchung zu widerstehen, wie etwa Graphit und sie sollen einen Querschnitt haben, der größer ist als das zu verformende Konstruktionsteil· Das Teil kann gewöhnlich kalt in den Ofen eingebracht und auf die Warmbearbeitungstemperatur in einer Zeitspanne erhitzt werden, die nur von der Heizleistung des Ofens abhängt· Natürlich sollte das Aufheizen nicht so rasch geschehen, daß das Konstruktionsteil springt.

Wenn das Teil die Warmbearbeitungstemperatur erreicht hat, dann wird es an zwei gegenüberliegenden Seiten einem genügend großen Druck ausgesetzt während einer Zeitdauer, die genügend groß ist, um eine bleibende Verformung des Teils in einem gewünschten Ausmaß zu erreichen· Das Teil hat im Ofen die Möglichkeit, sich nach einer Richtung, die im allgemeinen senkrecht zur Bewegungsrichtung der Kolben steht, als Folge der von den Kolben ausgeübten Druckbeanspruchung, auszudehnen· Der Grad der ausgeübten Verformung hängt ab von den gewünschten Produkteigenschaft«!, wie später ausgeführt wird· 109812/13Od

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In diesem^!ijfowendüngsbeispiel werden sämtliche Angaben über die Verformung in"Einheiten der wahren Längenänderung wiedergegeben, welche definiert ist als das Integral von -j-, wobei L die Länge des Konstruktionsteils zwischen den zwei druckbeanspruchten Flächen ist· .-.■..·■■■

Ss ist klar, daß die Variablen wie Warmbearbeitungstemperatur, Druckbeanspruchung, Zeitdauer der Druckbeanspruchung und Verformungsgrad in hohem Maße voneinander abhängig sind. So erfordert eine Warmbearbeitungstemperatur, die gleich der eutektischen -Temperatur des schmelzbaren Dispergierungsmittels ist, oder nur etwas darüber liegt, eine größere Druckbeanspruchung oder längere Zeitdauer der Druckbeanspruchung als bei einer höheren Warmbearbeitungstemperatur notwendig wäre, um einen gegebenen Verformungsgrad zu erreichen. Ännlich kann, um bei einer gegebenen Warmbearbeitungstemperatur einen gegebenen Verformungsgrad zu erreichen, entweder ein hoher Druck während einer kurzen Zeitspanne oder ein niedriger Druck während einer längeren Zeitspanne aufgewendet werden,, ^

Es wird im allgemeinen günstig sein, die Temperatur so hoch %iie möglich zu wählen, ohne daß dadurch ein Schmelzen oder Verdampfen, des schwer schmelzbaren Pormstückwerkstoffs eintritt und auch den Bearbeitungsdruck so hoch wie möglicho Die obere Belastungsgrenze hängt" von dem verwendeten schwer schmelzbaren Werkstoff ab und wird nach oben durch den Druck begrenzt₉ bei dem das Seastriikti ons teil bricht. Im allgemeinen· werden bei Kohlenstoff als PorsEstückwerkstoff Drücke von etwa 141 at bis etwa 703 at-an» gewendet-, obwohl auch Drücke äußerhalb dieses- Bereiches entsprechend den oben .-gemachten- Betrachtungen angewendet werden könnea4^Me:-ija~-·- wendtmg von,.bx>h&n. ■Warwb-eärbeitungstemperaturenrr.uadi hehan. ■t12ngsarucke.il ergibt -kürzere ΉβΓεΐβΙΙυη^ΞζβχΐεηίΓΓΰΐ· ■-einen,

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gebenen Verformungsgrad und verringert auf diese Weise die Ge- ■ samtkosten des Verfahrens_o

Man glaubt, daß der Porendurchmesser eines solchen warmbearbeiteten Erzeugnisses und die miteinander in Beziehung stehenden Eigenschaften wie Gasdurchlässigkeit, Dichte, Werkstoffestigkeit und Härte direkt von dem Grad der Verformung abhängen, der das Teil unterzogen wurde_o Verformungsstufen von schon etwa 15$ verbessern diese Eigenschaften deutlich. Verformungsstufen von 65$ sind erreicht worden; Je höher jedoch die Verformungsstufe ist, um so geringer ist die durch zunehmende Verformung erreichte Verbesserung

(der Eigenschaften) und eine Verformungsstufe von etwa 6o# wird aus Gründen der Wirtschaftlichkeit als praktische obere Grenze betrachtet.

Es wurde entdeckt, daß zusätzlich zu den oben erwähnten Verbesserungen eine gesteuerte gewünschte Ausrichtung der Kristalle in einem Konstruktionsteil durch das Warmbearbeiten erreicht werden kanne So nehmen zum Beispiel bei der Warmbearbeitung von Graphitteilen, welche ein feinverteiltes geschmolzenes Karbid enthalten, die Graphitkristalle eine solche geordnete Lage ein, daß die Ebenen der Graphitscr.ichten (d.h. die a-Hichtungen des hexagonalen Kristallgitters von 'Graphit) sich senkrecht zu der Richtung einstellen, in der der Druck während der Warmbearbeitung aufgebracht wird. Der Grad dieser Ausrichtung hängt von der Intensität der Warmbearbeitung d_eh» von der prozentualen Verformung ab, der das Teil unterworfen v/ircU

Bei Strangpreßverfahren ordnen sich die Ebenen der Graphitschichten parallel zur ctrangrichtung an, d.h. die Hauptachse der Kristalle verläuft in Strangrichtung· Demgemäß sind, wenn das StrangpreBverfaarer zur Formung von schwer schmelzbarem Werkstoff

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verwendet wird, die physikalischen Eigenschaften, die von der Ausrichtung der Kristalle abhängen, wie Wärmeausdehnung oder Wärmeleitung, stark anisotrop. Formverfahren am Einzelstück wie Warmpressen, neigen ebenso zur Schaffung einer inneren Kristallausrichtung. Diese innere Kristallausrichtung und die dadurch bedingte Anisotropie mögen für gewisse Anwendungsfälle unerwünscht sein, wie für die Verwendung als Brennelemente in Kernreaktoren, wo eine Wärmeausdehnung und wirksame Wärmeübertragung in einer anderen Sichtung stattfinden soll als der inneren Kristallausrichtung, die durch das Formverfahren geschaffen wurde«

Durch die Anwendung des oben beschriebenen Warmbearbeitungsverfahrens ist es möglich, schwer schmelzbare Erzeugnisse mit einer gesteuerten Kristallausrichtung zu schaffen und demgemäß mit einem gesteuerten Grad von Anisotropie, wobei der spezielle Fall eines isotropischen Erzeugnisses mit eingeschlossen ist. Dies kann s_oB_e dadurch erreicht werden, daß man auf einen stranggepreßten Stab bei Warmbearbeitungstemperatur einen Druck parallel zur Strangrichtung ausübt. Diese Druckbeanspruchung bewirkt, daß die vom Strangpressen herrührende Kristallausrichtung (Ebenen der Graphitschichten parallel zur Strangrichtung) geändert wird in eine Kristallausrichtung, bei der die Ebenen der Graphitschichten senkrecht zur Sichtung der (aufgewendeten Kraft bei der) Warmbearbeitung stehen und demgemäß die Wärmeübertragung in radialer Stabrichtung wesentlich verbessern. Durch das Stoppen der Warmbearbeiturig an einem geeigneten Punkt, welcher für eine bestimmte Art eines stranggepreßten Seils durch Versuche bestimmt wird, ist es möglich, ein Erzeugnis aus schwer schmelzbarem Werkstoff mit einem gesteuerten Grad der Kristallausrichtung herzustellen. Es ist gleicherweise möglich, einen größeren oder geringeren Grad von Anisotropie in geformten

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Teilen herzustellen, indem man sie in paralleler oder senkrechter Richtung zur Formachse warmbearbeitet.

Im allgemeinen werden die vorher erwähnten Bedingungen für eine Verformung von Konstruktionsteilen bestehend aus einem Formstück aus schwer schmelzbarem Werkstoff mit einem darin verteilten schmelzbaren Dispergierungsmittel die oben beschriebene Kristallausrichtung bewirken· Man glaubt, daß bei Konstruktionsteilen aus Kohlenstoff eine Warmbearbeitung bei einer Temperatur von mindestens etwa 2500° C um eine wahre Längenänderung von mindestens etwa 20$ zu erreichen, eine Hauptausrichtung der Kristalle bewirkt, deren Sichtung im allgemeinen senkrecht steht zur Richtung, in der der Druck aufgebracht wird· Dementsprechend wurden durch Anwendung der oben beschriebenen Warmbearbeitungsmethode auf ein zylindrisches, durch Strangpressen aus einer Mischung von Graphit und Zirkoniumkarbid hergestelltes Teil, dessen physikalische Eigenschaften gleichzeitig verbessert als Ergebnis zweier Mechanismen· Die plastische Verformung, die das Graphitteil mit dem geschmolzenen Dispergierungsmittel erleidet, erhöht die Dichte, die Festigkeit und Härte und vermindert die Porosität, während die Wiederausrichtung der Kristalle eine Vergrößerung der Wärmeleitfähigkeit in radialer Richtung, eine Verminderung der Wärmeleitfähigkeit in Längsrichtung und eine Vergrößerung der Wärmeausdehnung in Längsrichtung bewirkt♦

Die folgenden Beispiele verdeutlichen weiterhin gewisse Merkmale der Erfindung·

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Beispiel I

Das erste Beispiel bezieht sich auf Teile aus Graphit, die entweder durch Warmpressen oder Strangpressen vorgefertigt sind und entweder Molybdänkarbid als Zusats oder keinen Susatz enthalten. öle vier Arten von Teilen (als Pro/be 1, 2, 3 und 4· bezeichnet) sind vor der Warmbearbeitung auf die verschiedenen, unten beschriebenen itrten gefertigt worden·

Probe 1 ist ein aus Graphit bestehendes Teil ohne Zusätze, das durch Warmpressen vorgefertigt worden ist. Etwa 2o Gewichtsprosente Teerasphalt werden mit Graphit oder Kohlenstoffüllmasse mit einer Korngröße zwischen 5/U ^ind 100μ gemischte -Eine ausreichende Menge von Trichloräthylen wird mit dem Asphalt gemischt, um eine gute Verteilung des Teerasphalts zwischen den Teilchen der Füllmasse zu gewährleisten· Nachdem das Trichloräthylen verdampft worden ist, wird eine Charge dieser Mischung bei etwa 800° C eine Stunde lang warmgepreßt und ein Zylinder von etwa 2,5 cm Durchmesser und 5 cm Länge geformt. Nachdem die Stirnseiten bearbeitet worden sind_? so daß sie eben und parallel zueinander sind, ist die Eeobe fertig für das Warmfeearbeiten·

Wie aus der Zeichnung ersichtliche, wird dar vrarsgepreßte Gi-fephitzylinder 11 in einen Widerstandsofen 13 zielsehen zwei -ms--iörgeküiilte Stempel 20 mit den aus Graphit bestehenden Bärköpit;; eingebracht« liner der Stempel wird hydraulisch bewegte Bins E^gelftisriabtrug 16 ist vorgesehen, um die Temperatur des Ofens, de:·;-Ssrnperaturan bis zu 3200° G erreichen kann₅ z« regeln₀ Auch ein C-a-skrsislauf 1? ist vorgesehen, um in dem Ofen eine -Inertgas— g:&!ig Sphäre aufrecht au erhalten. Der Graphit sy lind er wird währer·:? &?.aes Zeitraumes von %Q Missten auf die

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von 2800° C aufgeheizt um weitere Karbonisierung und Entgasung zu ermöglichen. Ein Bearbeitungsdruck von etwa 527 at wird auf den Stirnseiten des Stabes 11 aufgebracht, wobei die Mantelfläche des Zylinders Platz zur Ausdehnung hat. Der volle Druck wird innerhalb von 4 Minuten erreicht und während etwa 5o Minuten aufrechterhalten, wodurch eine wahre Längenänderung von 53 % erreicht wird. Sodann wird der Warmbearbeitungsdruck aufgehoben und die Probe zum Abkühlen in dem Ofen belassene

Probe 2 ist ein durch Strangpressen vorgefertigtes Graphitteil ohne Zusätze. Es werden etwa 25 Gewichtsprozente Teerasphalt mit Graphit oder Kohlenstoffüllmasse wie bei Probe 1 gemischt. Etwa 2 Gewichtsprozente Zellulose und 2 Gewichtsprozente Stearinsäure werden beigegeben, um die Strangpreßeigenschaften zu verbessern. Eine Charge dieser Mischung wird dann bei etwa 110° C zu einem Stab von 2,5 cm Durchmesser stranggepreßt. Nachdem dieser Stab bei 900° G unter Zwang gebrannt worden ist, wird er in zv/ei 5 cm lange Zylinder geteilt, welche die Proben für die Warmbearbeitung darstellen«. Die stranggepreßte Probe wird bei etwa 2800° C und einer Druckbeanspruchung von etwa 282 at während etwa 4o I^;dnuten v/armbearbeitet, wodurch eine wahre Längenänderung von etwa 45 Jo entsteht ο

Prob?- ⁷ -.-'; -i:- ~:iz Graphit bestehendes und Molybdänkarbid enthaltendes _f dui-ch Warmpressen vorgeferti^tba Teil. Das i'eil wird auf dieselbe Ar« lie-· <?e α teilt wie Probe 1 mit der Ausnahme, daß Molybdänl^rar':i:'^::---7C-: r-'.t ei^QT Kcrr.gröi2e, :ie geringer ist als 65 in einer, Ir. -T&t^llr- '■.. i.^fgeführten Ken&e, der Charge für das Warmpressen beiger ii;or:t λ i.:·.-'! ,. D&.S Teil wird u&i et v/a 2700° C und einer maximaler» Ζζ-^-ΛΙ.--(ii^iip: achung von 527 at während etwa 150 Minuten

wärmtearteit^>::'._t -:t;: e.'r:·= wahre Längenänderung von etwa 56 % hervor-™.,.^ 103812/1309

An der Oberfläche des Teils werden während des Warmbearbeitens Perlen von flüssigem, mit Graphit gesättigtem Molybdänkarbid gebildet und nachher vor dem Prüfen maschinell entfernt.

Probe 4 ist ein aus Graphit bestehendes und Molybdänkarbid enthaltendes, durch Strangpressen vorgefertigtes Teil» Etwa 33 Gewichtsprozente Teerasphalt werden mit Graphit oder Kohlenstoffüllmasse in derselben Weise wie bei Probe 1 gemischt» Molybdänpulver mit einer Korngröße, die geringer ist. als 5ow wird in einer, aus Tabelle 1 ersichtlichen Menge der für das Strangpressen bestimmten Charge beigemischt. Ein Stab von 2,5 cm Durchmesser wird bei etwa 210° C stranggepreßt. Nachdem dieser Stab unter Zwang bei 900° C gebrannt worden und bei 1750° C gesintert worden ist, wird er in 5 cm lange Zylinder geteilt, welche die Teile darstellen, die warmbearbeitet werden sollen. Die stranggepreßte Probe wird bei etwa 2700° C und einer anfänglichen Druckbeanspruchung von etwa 176 at und einer maximalen End-Druckbeanspruchung von etwa 282 at während einer Zeitdauer von etwa 20 Minuten warmbearbeitet, wobei eine wahre Längenänderung von etwa 40# erreicht wird₀ An der Oberfläche des Teils werden während des Warmbearbeitens Perlen von flüssigem, mit Graphit gesättigtem Molybdänkarbid gebildet und nachher vor dem Prüfen maschinell entfernte

Nach dem Warmbearbeiten werden die Proben auf Metallgehalt, Dichte, Porosität, Heliumdurchlässigkeit, Druckfestigkeit, Bruchmodul, Wärmeausdehnungskoeffizient und Temperaturleitzahl geprüft. Die letzten fünf Eigenschaften sind gerichtete Größen und hängen von der gewählten, in der Probe bewirkten Kristallausrichtung ab. Daher werden diese Größen parallel und senkrecht zur Belastungsrichtung beim Warmbearbeiten gemessen· Die Ergebnisse sind in Tabelle zusammen mit ähnlichen Messungen derselben Ausgangsstoffe, die bei

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gleichwertigen Temperaturen wie den beim Warmbearbeiten herrschenden geglüht worden sind, zusammengestellte

Die gerichteten Größen zeigen die Änderungen der gewählten Kristallausrichtung an und auf diese Weise den Grad der gesteuerten Kristallausrichtung, der durch das Warmbearbeiten hervorgerufen wurde.

Beispiel II

Das zweite Beispiel bezieht sich auf aus Graphit bestehende und als Zusatz Zirkoniumkarbid enthaltende, durch Warmpressen vorgefertigte Teile· Die Proben werden nach Methoden hergestellt, die den in .Beispiel I erklärten im allgemeinen ähnlich sind und die Meßergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.

Probe 5 ist ein aus Graphit bestehendes Teil ohne Zusatz, das mit etwa 10 Gewichtsprozenten Teeasphalt hergestellt wurde·

Probe 6 ist ein aus Graphit bestehendes, mit etwa 10 Gewichtsprozenten Teerasphalt, gemessen an dem Stoff Graphit, aus dem das Formstück besteht, gefertigtes Teil, welches etwa 50 Gewichtsprozente zerkleinertes Zirkoniumkarbid, gemessen am Gesamtgewicht des Teils vor der Wamrbearbeitung, mit einer Korngröße zwischen 125 μ und 180 u enthält. Dieses Teil wird bei einer Temperatur warmbearbeitet, die unter der eutektischen Temperatur des ZrO - C Diagramms liegt, so daß der Karbidbestandteil des Teils während des Warmbearbeitens fest bleibt»

Probe 7 ist ein aus Graphit bestehendes, mit etwa 20 Gewichtsprozenten Teeraspahlt, gemessen an dem Graphitanteil des Formstücke, hergestelltes und etwa 33 Gewichtsprozente, gemessen an dem Gesamtgewicht des Teils vor dem Warmbearbeiten, Zirkoniumkarbid in grob-

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zerkleinert er Form .mit einer Korngröße zwischen etwa 125 M und @twa 180 ,u enthaltendes Teil. Dieses Teil wird bei einer Temperatür, die oberhalb der eutektischen Temperatur im ZrC - G Diagramm liegt9 warmbearbeitet, so daß der Karbidbestandteil während des Warmbearbeitens flüssig ist»

Probe 8 lsi ein aus Graphit bestehendes, mit etwa 20 Gewichts» ■ Prozenten Teerasphalt, gemessen am Graphitanteil des Formstücks₉ hergestelltes und etwa 33 Gewichtsprozente, gemessen am Gesamtgewicht des Teils vor dem Warmbearbeiten, feinzerkleinertes Zirkoniumkaröid mit einer Korngröße geringer als etwa 40 M enthaltendes Teil, Dieses Teil wird bei einer Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur im ZrC - C Diagramm warmbearbeitet, so daß der Karbidbestandteil des Teils während des Warmbearbeitens in flüssigem Zustand ist.

Tabelle 2 enthält außerdem Werte von Vergleichsproben_? welche bei der Warmbearbeitungsteiaperatur geglüht, aber nicht ver- £öT-mt wurden β

Me in den Tabellen 1 und 2 oben angegebenen Ergebnisse zeigen deutlich, daß pressendes Warmbearbeiten von Teilen aus schwer Beiuaelzbarem Werkstoff» welcher ein schmelzbares Dispergierungsmiytel enthält₉ bei Temperaturen die über der Schmelztemperatur cv'?s Dispergierimgsffiittels liegen, eine geringere Porosität ergibt-,. s.l?s bei -"Teilen, die kein schmelzbares BispergierimgsBiittel entfeal^i imä/oder nicht war-abearbeitet wurden₀ Ferner sind die Ergebnisse besser als bei einem TeIl₈ das bei einer Temperatur unterhalb .αβ-ϊ-BchEielstemperatiir des Bispergier-tm-gFirattels warmbearfceite'i? ?/urö.'"_c TrLe T-absllüii 1 und 2 aeigen ferner, άεβ die Anieotropie geänd.6.:/'; vrorie«. Die mit Hilfe der oben bsschri-?ber-es_P pressenden .Tecbn:->·: -.--.. ^QT- "varaibearbeitung, bei der die Sel^e^flä^he" ^s^ φ^ι^ -Pt=^x "h¹«^.

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BAD ORIGINAL

ben, co daß überschüssiges Di3"oer:;iorui:gsmittel austreten und entfernt v/erden kann, hsrrestell"öen i'eile halten v;ir für wesentlich besser als die durch Warmpressen in einem das Teil umschließenden Gesenk hergestellten Teile. Diese erstgenannten i'eile besitzen bessere Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit, Temperaturleitzahl und Gasundurchlässige!to

Die Proben 3? 4- und 8 in den Beispielen I und II halten wir für schwer schmelzbare ürzeugiisse mit verbesserten Eigenschaften, welche für eine Reihe von Anwendungen gut geeignet sind, bei denen hohe Dichte, geringe Gasdurchlässigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit, gute Festigkeit und gesteuerte Wärmeausdehnung verlangt werden»

Eine Reihe von Merkmalen der vorliegenden Erfindunf wird in den nachfolgenden Ansprüchen aufgeführt.

COPY

1 0 S 8 i I / 13 Ll 9

TABELLE 1 (Teil 1) Jw

Probe 1
Geglüht Warmbearbeitet Geglüht Warmbearbeitet

Probe 2

Anfänglicher Metallnenngehalt (Gewichtsprozente) 37,8

37,8

35,6

Gemessener Metallgehalt nach dem Glühen oder Warmbearbeiten (Gewichtsproz.) 34,3 21,0

34,2

26,6

Temperatur beim Glühen oder Warmbearbeiten (⁰C) 2700 2700

2700

270G

Wahre Längenänderung durch Warmbearbeiten (Prozent)

Dichte (g/cm )

2,58 56

2,67

0 2,32

40 2.66

Porosität, Poren größer als 0,1/* , gemessen mit der Quecksilbermethode (Prozent)

7,4 0,9

N.G.

Heliumdurchlässigkeit (cm /s) Parallel 4,8x10~7

senkrecht 1,4x10~⁴

<¹⁰

<10

"fi *

N.G. N.G.

Druckfestigkeit (at)

Parallel

Senkrecht

724 619 2690 879

429 450

1287 935

3rucnmodul (at)

Parallel

Senkrecht

450 576 372 1363

408 260

'ärmeausdehnungskoeffiient bei 40O⁰C (grd~') arallel 4

enkrecht 3,5x10"

11,3XiO"⁶- 3,8x10"*°- 6,8XiO""⁶-1,9x10"^b 4,7x10""° 4,0x10"°

enperaturlextzahl	Com'	0	,9	0	,5	1	,1
arallel		1	,5	2	,7	1	,1
enkrecht
7s)

2,2

Bezeichnungen: F.Z.

N.G.

Nicht zutreffend Nicht gemessen Heliumdurchlässigkeit unterhalb der unteren Meßgrenze des Prüfgerätes 0 & 8 1 ? / 1 3 fä S

TABELLE 1 (Teil 2) Probe 3 Geglüht Warmbearbeitet

anfänglicher Metallnennrehalt (Gewichtsprozente) N.Z.

Probe Geglüht Warmbearbeitet

N.Z.

remessener Metallgehalt lach dem Glühen oder Warm- >earbeiten (Gewichtsproz.) N.Z.

N.Z.

N.Z

N.Z..

emperatur beim Glühen

der Warmbearbeiten (⁰C) 2600 2800

2800

260

ahre längenänderung durch Varmbearbeiten (Prozent)

Dichte (g/cm )

1,84 53 2,04

1,56

1₈80

Porosität, Poren größer ils 0,1/w , gemessen mit ier Quecksilbermethode

.Prozent)	10,2	1,8	27,4	12,5
teliumdurehlässigkeit cnr/s) Parallel Senkrecht	1,8x10"! 3,0x10	1 ,5x10"J 4,7x10~⁴	2,1x10"] 1,2x10"'
Druckfestigkeit (at) Parallel Senkrecht	639 541	660 372	29.5 253	24£·
iruchmodul (at) arallel .enkrecht	197 330	N.G. N.G. .	N.G. N.G.	N.G N.G

^;ärmeausdehnungskoeffi-

:ient bei 400⁰C (grd"') _₆

^arallel 6,1χ10~_Λ

Senkrecht 2,OxIO"⁰

N.G N.G

1,0x1 (T

5,0x10

4,9x10~° 3»6x10"°

Temperaturleitzahl (cm /a) ^Darallel

Senkrecht

C,5 1,0 0,2 1,3

N.G. N.G.

N.G, N.G.

Bezeichnungen: N.Z.

N.G.

Nicht zutreffend Nicht gemessen

10981^/1309

BAD ORIGINAL

TABELLE 2 (Teil 1)

Probe Geglüht V/armbearbeitet

Anfänglicher Metallnenngehalt (Gewichtsprozente) N.Z.

Probe Geglüht Warmbearbeitet

N.Z.

44,1

Metallgehalt nach dem vlühen oder Warmbearbeiten (Gewichtsprozente) N.Z.

N.Z.

N.G.

Temperatur beim Glühen

■:äer Warmbearbeiten (⁰C) 2800 2800

2650

2600

iiore Längenänderung durch :.rmbearbeiten (Prozent)

l-.shte (g/cm⁵)- ■ 1 ,74

35 1,91

0 2,56

"•orosität, Poren größer ..Is 0,1 (Uf gemessen mit

~,· Quecksilbermethode

15,0 8,1

14,8

10,7

κ -i. itimdur chlä s s igk e i t OET/s) crallel ! sokrecht ι	5,0x10 ^ 6,4x10	6,6χ10~ί 2,4x10"^	_p 3,6x10 ₉ 5,9x10"^	4,1 xl G 6.8x1G
ru-ckfestigkeit (at) ^rallel "ixkrecht	415 365	415 267	372 323	281
rachmodul (at) arallel enkreent	N.G.	N.G.	N.G. -	N.C-.

'-;, rmeausdehnungsko e f f ΐτ :ient bei 40O⁰C (grd ^Ί) arallei

3,7x10 14,8x10"f

1,8x10"°

6,6x10"? 3,3x10"^b

10.9x10"

rallel
Gerecht

hl (cia^/s)

N. G.

K. G.

lezeichnungen: N.Z.

N.G.

nicht zutreffend, nicht gemessen

BAD

COPY

TABELLE 2 (Teil 2) Probe 7

Geglüht Warmbearbeitet Anfänglicher Metallnenngehalt (Gewichtsprozente) 28,9

Probe 8
Geglüht Warmbearbeitet

28,9 28,8

28,8

Metallgehalt nach dem Glühen oder Warmbearbeiten (Gewichtsprozente)

N.G.

24,7

15,4

Temperatur beim Glühen

oder Warmbearbeiten (⁰C) 2950 2950

2950

Wahre Längenänderung durch ■Varmbearbeiten (Prozent) 0

lichte (g/cm )

2,33 45
2,28

2,23

2,31

Porosität, Poren größer als 0,1 ^w , gemessen mit ier Quecksilbermethode Prozent)

11,8 2.0

12,4

' J f ü

Hel^umdurchlässigkeit

nt

3,6x10"^

c-allel

562 485 928

590

576

499

j !.krocht

N. G.

204

281

•.^;£.rfflea!isdehnun-r skc ef f i? ;-.;,ent bei 40O⁰C (grd"" ) rarallel
Senkrecht

u.a.

eaiperaturleitaejix '. ».rail el

1,5

Nicht sutreffenc

l\^Ticnt gene ε ser^

Heliusidurchlci.--,'-: gk"tii unterhalb der

unteren MeMrrenr.e ce~ rrüfserätef;

¹ " ^{J U} ' - ^! - - - GOPY

BAD ORIGINAL

Claims

Patentansprüche o

1. Verfahren zur Weiterbearbeitung eines vorgeformten Teils bestehend aus einem Formstück aus schwer schmelzbarem Werkstoff mit darin enthaltenem, schmelzbarem Dispergierungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil bis zu einer Temperatur erhitzt wird, die genügt, um das Dispergierungsmittel in flüssigem Zustand zu halten und daß, während einer vorher festgelegten Zeit und während das Dispergierungsmittel flüssig ist, ein pressender Druck auf das Teil ausgeübt wird»

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der pressende Druck solange ausgeübt wird, daß eine bleibende Verformung des Teils erreicht wird, ohne daß es bricht«,

3ο Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß eine bleibende Verformung von etwa 15$ bis etwa 65# bewirkt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß das anfängliche Formstück aus schwer schmelzbarem Werkstoff eine Mischung aus zerkleinertem schwer schmelzbarem Material und zerkleinertem schmelzbarem Dispergierungsmittel ist, wobei das schmelzbare Dispergierungsmittel in genügender Menge vorhanden ist, um die plastische Verformbarkeit des schwer schmelzbaren Werkstoffs zu erhöhen _o

5« Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß der schwer schmelzbare Werkstoff aus zerkleinertem Kohlenstoff besteht und das zerkleinerte Dispergierungsmittel Zirkonium, Molybdän, Uran, Aluminium, oder ein Karbid dieser vier Metalls oder eine andere Verbindung dieser vier Metalle ist, die mit Sohlenstoff beim Erhitzen ein Karbid bildet«,

1 0 9 8 1 2 / 1 3 U S COPY ^BAD ORIGINAL

Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß der zerkleinerte Kohlenstoff eine Korngröße' von etwa 5/u bis etwa 10Ou hat.

7· Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß das zerkleinerte schmelzbare Dispergierungsmittel Zirkoniumkarbia mit einer Korngröße kleiner als 60m ist, und daß es in einer Menge von etwa 10 bis 50 Gewichtsprozenten, gemessen am Gesamtgewicht des Teils vor dem Erhitzen und Zusammenpressen, vorhanden ist, und daß bei dem Erhitzen eine Temperatur von etwa 2850° 0 bis 5200° 0 herrscht, und daß dabei ein pressender Drück von etwa 141 at bis etwa 703 at auf das Teil ausgeübt wird.

8, Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß das zerkleinerte schmelzbare Dispergierungsmittel Molybdänkarbid mit einer Korngröße kleiner als 60 U ist und daß es in einer Menge von etwa 10 bis 50 Gewichtsprozenten, gemessen am Gesamtgewicht des Teils vor dem Erhitzen und Zusammenpressen vorhanden ist, und daß bei dem Erhitzen eine Temperatur von etwa 2600° C bis etwa 3200° C herrscht, und daß dabei ein pressender Druck von etwa 141 at bis etwa 703 at auf das Teil ausgeübt wird»

9» Verfahren nach einem der vorher genannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der pressende Druck in einer Richtung ausgeübt wird, während das Teil die Möglichkeit hat, sich in einer, zu dieser im allgemeinen senkrecht stehenden Richtung auszudehnen·

^»—ee— eee»

1098 12/1309

BA ORIGINAL