DE1608187A1

DE1608187A1 - Verfahren zur Herstellung von Skelettkoerpern aus Nitriden und Carbiden

Info

Publication number: DE1608187A1
Application number: DE19671608187
Authority: DE
Inventors: Dr Reimar Gehrke; Dipl-Chem Michael Kretschmer; Dr Armin Schneider
Original assignee: Knapsack AG
Current assignee: Knapsack AG
Priority date: 1967-11-15
Filing date: 1967-11-15
Publication date: 1970-11-12

Description

Verfahren zur Herstellung von Skalettkörpern aus Nitriden und Carbiden Vorliegende Erfindung-betrifft ein Verfahren zur Herstellung mit metallischen Schmelzen tränkbarer Skelettkörper aus Nitriden und/oder Carbiden bzw. deren Mischkristallen. In Betracht kommen hierbei die Nitride und Carbide des Bora, Siliciums und der Elemente der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodischen Systems. Zu diesen Elementen zählen in erster Linie Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal sowie Chrom, Molybdän und Wolfram. Es ist bekannt, daß Werkstoffe mit hervorragenden technologischen Eigenschaften aus an- sich spröden aber hochschmelzenden, chemisch resistenten Hartstoffen dadurch hergestellt werden können, daß ein poröses Hartstoffekelett mit der Schmelze eines Metallen getränkt wird, welches allein bei Temperaturen zwischen etwa 1000 bis 1 80000 keinen nennenswerten--mechanischen Belastungen mehr standhalten kann (siehe z.B. R. Kieffer, R. Benesowsky, "HartmQtalle", Wien 19659 Seite 109).
En ist ferner bekannt, daß aus Nitriden und Carbiden Skelettkörper mit bestimmten Porenvolumina hergestellt werden können. Dabei werden Pulver bestimmter Korngröße, unter Zugabe eines Bindemitteln, zu Formkörpern verpreßt, oder im Schlickerguß geformt und ansahließend bei hoher Temperatur, z.B. im Falle TiN oberhalb 2 000 0 0.' geaintertt druckgeaintert oder durch direkten Stromdurchgang solange erhitzt$ bis sie ein solches Porenvolumen erreicht haben, daß einerseits die gariünschte Verfestigung des Skeletts gewährleistet und andererseits aber die Tränkung mit der Metallschmelze noch einwandfrei durchführbar ist. Die hierzu erforderlichen Mindestporenvolumirla liegen bei 10 bis 15 % tränkbarem Porenvolumen.
Es ist ferner bekannt.daß sich nach den Verfähren der deutschen Patentschriften 1 160 831 und 1 193 485 Nitride in sehr feinteiliger Pulverform herstellen lassen, doch eignen sich diese Pulver, setzt man sie allein ein, nur in Ausnahmefällen zur Herstellung tränkbarer Skelettkörper wegen der geringen Porendurchmesser der daraus erhaltenen Skelettkörper.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß man aus Nitriden und/oder Carbiden der oben genannten Elemente sowie aus den Mischkristallen dieser Nitride und/oder Carbide bestehende und mit metallischen Schmelzen tränkbare Skelettkörper, die ein bestimmtes Porenvolumen aufweisen, leicht herstellen kann,- wenn man aus Gemio'chen von Pulvern der Ausgangesubstanzen, die einerseits Teilchengrößen von 1 bis 100/u und andererseits von 0,01 bis 091 aufweisen, zunächst Formkörper herstellt und diese anschließend bei Temperaturen zwischen 800 und 18000C. vorzugsweise zwischen 1100 und 1600 0 C, sintert. Mit eteigendem Gehalt an der feinteiligeren Komponente in der Mischung der pulverförmigen Ausgangestoffe erhält man dabei Skelettkörper mit abnehmenden Porenvolumen und umgekehrt bei höheren Gehalten der Mischung an der grobkörnigen Komponenteg Skelettkörper mit größerem Porenvolumen.

Hierbei wirkt das feinteilige Pulver einerseits als hervorragendes Bindemittel, das die Herstellung der zur Sinterung benötigten Formkörper wesentlich erleichtert, zum anderen ist es nach diesem Verfahren möglich, einerseits bei wesentlich niedrieren Temperaturen als bei den herkömmlicher Arbeitsweisen großporige Skelettkörper in andererseits druckfreier Sinterung herzustellen, da der Anteil an niedrig sinterndem Pulver neben einer Verbesserung der Preßbarkeit der Pulver zur Ausbildung von Sinterbrücken zwischen den groben Partikeln führt. Zur Herstellung von Skelettkörpern mit geringerem Porenvolumen empfiehlt es eiC'hv die zunächst hergestellten Formkör)»r bei den höheren Temperaturen des genannten Temperaturbereiches von 800 bis 1 8000 C zu sintern. Als Nitride und/oder Garbide können solche des Bors, des Siliciums oder die der Elemente der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodischen Systeme, insbesondere'die der Elemente Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und Wolfram sowie Mischkristalle dieser Nitride und/oder Carbide'eingesetzt werden. Vortöilhafterweise wird, insbesondere dann, wenn als Ausgangsprodukte Carbide verwendet werden-, die Sinterung in Wasserstoff-Atmosphäre durchgeführt. - Ein wesentlicher Vorteil des neuen Verfahrens besteht ferner _darin, daß sich binde- und sinterhilfsmittelfreie Skelettkör-,.per herstellen lassen, die außerdem sehr gut mit metalli-7' sehen Schmelzen tränkbar sind. Hierzu kann man je nach den AusgangBprodukten und dem gewünschten Porenvolumen die Mengenverhältnisse der feineren und der gröberen Komponente in der jeweiligen Ausgangsmischung variieren. Beispielsweise setzt man zur Herstellung von Skelettkörpern aus Titannitrid einer Korngröße von 0,01 bis 091/u einerseite und Titannitrid einer Korngröße von 5 bis 60 /U andererseits, mit einem tränkbaren Porenvolumen zwischen etwa 10 und 35, vorzugsweise von mindestens etwa 25 Volumen%q als Ausgangsprodukt.eine Mischung ein, die zwischen etwa 80 und 2 0 Volumen%-, vorzugsweise höchstens etwa 50 Volumen%, Titannitrid einer Korngröße von 0,01 bis 0,1/u. besitzt. Für Skelettkörper aus Titannitrid einer KorngrUße von 0901 bis 0#1/u und Vanadiumnitrid einer Korngröße von 1 bis 100/u mit einen Porenvolumen zwischen etwa 5 und 40, vorzugeweise von mindestens etwa 359 Volumen% verwendet man am besten eine Mischung# die zwischen etwa 80 und 40, vorzugeweiae hUchetens etwa 50 Volumen%, Titannitrid einer Korngröße von 0"01 bis 091/u, Rest Vanadiumnitrid enthält. Will man aus, Titannitrid mit einem Kori#durchmesser von 0,01 bis 0,1/u. und Zirkonnitrid mit einem Korndurchmesser von 1 bis 100,ii Skelettkörper herstellen, die ein tränkbarea Porenvolumen zwischen etwa 10 und 40, vorzugsweise von mindestens etwa 35 Volumen% besitzen, so empfiehlt es eichl von einer Mischung auszugehen, die zu etwa 80 bis 40, vorzugeweiae zu höchstens etwa 50 Volumen%, aus Titannitrid einer Korngröße von Ol,01 bin 091 Rest Zirkonnitrid, be- steht. Skelettkörper mit einem tränkbaren Porenvolumen zwischen etwa 5 und 35, vorzugsweise, von etwa 35 Volumen% aus Titannitrid einer Korzigr48o von 0,01 bis Oll ZU sowie Titancarbid einer Korngröße von 1 bin 100/u erhält man, wenn als Auegangsprodukt eine Mischung eingesetzt wirdv die zu etwa 80 bis 50, vorzugsweise zu etwa 50 Volumen% Titannitrid einer Xorngröße von 0901 bis Oil/Uf Rest Titanearbid enthält* Die Formkörper können durch Pressen oder im Schlicker ffl hergestellt und anschließend druckfrei geaintert werden. Beispiel 1 Titannitrid einer Korngröße von 5 bis 60/u wurde in verschiedenen Verhältnissen mit feinteiligem Titannitrid einer Korngröße von 0,01 bis 0,1/u gemischt und bei Raumtemperatur zu Zylindern von 16 mm Durchmesser und ca. 10 mm Höhe gepreßt. Nach einstündigem Sintern der Zylinder in Argon-Atmos-phäre bei 150000 ohne Anwendung von Druck wurden die in der nachstehenden Tabelle angegebenen Volumenabnahmen und die entsprechenden Restporenvolumina erhalten. Die gemessenen Härtewerte geben ein relatives Maß für die während der Sinterung eingetretene Verfestigung des Hartstoffskelette.

Volumen% Titannitrid

einer KorngrÖße' von

0901 bis 0,1/u 20 40 60 80

Differenz zu 100 = Ti-

tannitrid einer Korn-

größe von 5 bis 60p

Volumenabnahme in % 4 14 32 50

Tränkbares Porenvolumen 31 30 22 10

nach dem Sintern in %

Vickerahärte Kp/mm 2 200 300 680 1320

(P = 10 Kp)

Beispiel 2 'Titannitrid einer Korn»größe von 0901 bis 0,1/u,wurde in verschiedenen Verhältnissen mit Vanadiumnitrid einer Korngröße von 1 bis 100 / u gemischt und analog Beispiel 1 zu Zylindern gepreßt. Nach einer Sinterzeit von 90 Minuten wurden die nachfolgend angegebenen Volumina erhalten.

Volumen% Titannitrid

(0901 bis 0,1/u) 40 60 80

Differenz zu 100 m Vana-

diumnitrid (1 bis 100/U)

Volumenabnahme in % 12 33 53

Tränkbares Porenvolumen 40 28 7

in %

Beispiel 3 Entsprechend dem Beispiel 2 wurden aus Titannitrid (Korngröße 0901 bis 0,1/u) und Zirkonnitrid (Korngröße 1 bis 100/u) zunächst Formkörper und daraus Skelettkörper mit unterschiedlichen Porenvolumina hergestellt.

Volumen% Titannitrid

(0901 bis 0,1/u) 40 60 so

Differenz zu 100 = Zir-

konnitrid (1 bis 100/u)

Volumenabnahme in % 5 12 49

Tränkbares Forenvolumen 40 35 12

in %

Beispiel 4 Entsprechend Beispiel 2 wurden aus Titannitrid (Korngröße 0901 bis 0,1/u) und Titancarbid (Korngröße 1 bis 100/u) zu#-nächst Formkörper und aus diesen Skelettkörper hergestellt.

Volumen% Titannitrid

,(0901 bis 091/U) 50 60 80

Differenz zu 100 = Ti-

tanearbid (1 bis 100/u)

Volumenabnahme in % 16 28 53

Tränkbares Porenvolumen 35 28 7

in %

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung mit metallischen Schmelzen trän]Kbarer Skelettkörper aus Nitriden und/oder Carbiden des Bora, Siliciums und/oder der Elemente der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodischen Systeme der Elemente sowie Mischkristallen aus diesen Nitriden und/oder Carbiden, dadurch-gekennzeichnetg daß man zur Herstellung von Skelettkörperng inebesondere solchen mit bestimmten Porenvolument aus Gemischen von Pulvern der Aufigangsoubstanzeng die eineraeite Teilchengrößen von 1 bis 100 / u und andererseits solche von 0,01 bis 0,1/u aufweisen, zunächst Formkörper herstellt und diese anschließend bei Temperaturen zwischen 800 und 180000, vorzugsweise zwischen 1100 und 1600 0 C, zu Skelettkörpern eintert, wobei mit steigendem Gehalt an der feinteiligeren Komponente in der Mischung der pulverförmigen Ausgangsetoffe das Porenvolumen der erhaltenen Skelettkörper abnimmt und umgekehrt.
2. Verfahren nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet" daß zur Herstellung von Skelettkörpern mit geringerem Porenvolumen die zunächst he rgentellten Pormkörper beiden höheren Temperaturen des genannten Temperaturbereiches von 800 bis 180000 gesintert werden. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnett daß als Nitride und/oder Carbide solchb des Borag den Siliciumi oder die der Elemente der-vierten bis sechsten Nabengruppe den-Periodiechen Syatemst inebesondere die-der Elemente Titan, Zirkong Hatnium, Yanadium, Niob, Tantalg Chromg'Molybdän und Wolfram sowie Nischkristalle dieser Nitride und/oder Carbide eingesetzt werden. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnetg daß, insbesondere bei Verwendung von Carbiden als Ausgangesubstanzen, die Sinterung in einer Wasserstoff-Atmosphäre durchgeführt wird. 5. Verfahren nach einei# der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung.von binde- und sinterhilfsmittelfreien, mit metallischen Schmelzen tränkbaren Skelettkörpern aus Titannitrid einer Korngröße von 0,01 bis 091 einerseits und Titannitrid einer Korngröß-e von 5 bis 60/u andererseits zur Erzielung eines tränkbarlen Porenvolumens zwischen etwa 10 und 35 Volumen#/o im Endprodukt, vorzugsweise von mindestens etwa 25 Volumen%, als Ausgangsprodukt eine Mischung eingesetzt wird, die zwischen etwa 80 und 20 Volumen%, vorzugsweise höchstens etwa 50 Volumen%, Titannitrid einer Korngröße von 0,01 bis 091 besitzt. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch kennzeichnet,*daß bei der Herstellung von binde- und sinterhilfsmittelfreien, mit metallischen Schmelzen tränkbaren Skelettkörpern aus Titannitrid einer Korngröße von 0901 bis 0,1/u einerseits und Vanadiumnitrid einer Korngröße von 1 bis 100/u andererseits zur Erzielung eines tränkbaren Porenvolumens zwischen etwa 5 und 40 Volumen% im Endprodukt, vorzugsweise von mindestens etwa 35 Volumen%, als Ausgangsprodukt eine Mischung eingesetzt wird, die zwischen etwa 80 und 40 Volumen%, vorzugsweise höchstens etwa 50 Volumen%, Titannitrid einer Korngröße von 0,01 bis 091 besitzt. 7* Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, daß bei dör fierstellung von binde- und einterhilfsmittelfreieng mit metallischen Schmelzen tränkbaren Skelettkörpern aus Titannitrid einer Korngröße von 0,01 bis 091 einerseits und Zirkonnitrid einer Korngröße von 1 bis 100/u andererseits zur Erzielung älnes# tränkbaren Porenvolumens zwischen etwa 10 und 40 Völumen% im Endprodukt, vorzugsweise von mindestens etwa 35 VQlumen%, als Ausgarigsprodukt eine Mischung eingesetzt wird, die zwischen etwa 80 und 40 Voluraen,/lo, vor##' zugeweise höchstens etwa 50 Volumenli'o-Titannitrid einer Korngrvße von 0,01 bis 0,1#u besitzt. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, daß bei der Herstellung von binde- undd sinterhilfsmittelfreien, mit metallischen Schmelzen tränkbaren Skelettl,..örpern aus Titanni-trid einer Korngtöße von 0901 bis 0,1/u einerseits und Titancßxbid einer Korngröße.von 1 bis 100 andererseits zur Erzielung eines tränkbaren Porenvolumens zwischen etwa 5 und 35 Volumen% im Endprodukt" vorzugsweise von etwa 35 Volumen%, als Ausgangsprodukt eine Mischung eingesetzt wird, die zwischen etwa 80 und 50 Volumen%, vorzugsweise etwa 50 Volumen%o, Titannitrid einer Korngröße von 0,01 bis Ogl / u besitzt. g. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gt.-kennzeichnet, daß man die Formkörper durch Pressen oder im Schlickerguß herstellt. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge- kennzeichnet, daß man die Pormkörper druckfrei eintert.