DE1949603C3 - Warmgepreßter Keramikgegenstand sowie Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn- selbst sehr teuer. Andererseits ergab die Anwendung zeichnet, daß man bei 400 bis 1000¹C so lange weniger kostspieliger Grundmaterialien, wie Bauxit, calciniert, bis mindestens 75% des enthaltenen Ton oder Steatit, bisher keine Gegenstände mit den Wassers entfernt sind. 30 überlegenen Eigenschaften solcher aus den vorstehend

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch erwähnten Grundmaterialien hergestellten Gegengekennzeichnet, daß in die Form vor Druck- und stände.

Temperatureinwirkung mit dem teilchenförmigen Diese Keramikgegenstände wurden sowohl nach

Bauxit ein metallischer Verfestiger oder eine dem Sinterverfahren als auch dem Warmpreßverfahren

metallische Verstärkung eingefüllt wird. 35 hergestellt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, Ein typisches Sinterverfahren wird in der US-PS dadurch gekennzeichnet, daß der gewünschte 23 47 685 beschrieben, während Warmpreßverfahren Formgegenstand bei Raumtemperatur vor der in den US-PS ?2 79 917 und 33 40 270 beschrieben sind. Druckeinwirkung unter Erhitzen kalt geformt Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine relativ wird. 40 billige, im wesentlichen aus Aluminiumoxid bestehende

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn- Keramik, die hohe mechanische Festigkeit zu entzeichnet, daß diese Kaltformung unter Druck- wickeln und einen hohen Grad an Abriebsbeständigkeit anwendung in einer Form oder durch Gießen aufweist.

vorgenommen wird. Die Erfindung strebte außerdem ein Verfahren zur

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, 45 Herstellung solcher harten, hochfesten abriebsbedadurch gekennzeichnet, daß man eine Warm- ständigen Keramikgegenstände aus natürlichem oder preßtemperatur von 1200 bis 1300°C anwendet. synthetischem Bauxit an.

Die Anwendung von Keramikgegenständen aus gesintertem Bauxit als abnutzungsbeständige Ober-

50 flächen ist seit vielen Jahren bekannt (US-PS 23 47 685,

23 39 264, 23 10 953, 23 11228). Diese gesinterten keramischen Bauxitgegenstände waren jedoch, obgleich sie gegenüber den meisten Metallen überlegene

Die Erfindung betrifft feste, abnutzungsbeständige Abriebsbeständigkeit aufweisen, gegenüber den hoch keramische Gegenstände aus tonerdehaltigen Aus- 55 abriebsbeständigen keramischen Materialien, wie beigangsmaterialien sowie Verfahren zu deren Herstellung. spielsweise Wolframcarbid und Borcarbid, unterlegen. Derartige keramische Gegenstände werden gewöhn- Der Hauptvorteil der gesinterten keramischen Bauxitlich mit großem Vorteil für Abnutzungsbeständigkeit gegenstände gegenüber den Gegenständen aus keraerfordernde Anwendungen eingesetzt, wie beispiels- mischen Materialien der letzteren Art lag in den weise für Schleifgebläsedüsen, Auskleidungen für 60 relativ geringen Kosten. Es war daher überraschend, Zerkleinerungsanlagen, Saugkastenabdeckungen, die daß, wenn Bauxite einer bestimmten Zusammensetzung bei der Papierherstellung verwendet werden, Raffina- innerhalb eines relativ, engen Temperatur- und tionsplatten, Auskleidungen für Mischer, Staub- Druckbereichs warmgepreßt werden, Keramikgegensammler, Pumpen, Erzrutschen, Verblendungen in stände erhalten werden, die hinsichtlich ihrer phy-Bergbaueinrichtungen u. dgl. In jüngster Zeit wurden 65 sikalischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich derartige Keramikgegenstände, insbesondere solche, der Abnutzungsbeständigkeit, überlegen waren. die durch Warmpressen hergestellt wurden, mit weit- Erfindungsgemäß kann man einen natürliche Bauxit,

gehendem Erfolg als Panzerplatte zum Schutz von der hauptsächlich Al₂O₃, Fe₂O₃ und TiO₂ enthält,

-rundlich

_tu vermählen, bis er chemisch gleichmäßig ist, UOO bis 100O⁰C calcinieren, die geeignete Menge --* _ermablenen und calcinierten natürlichen Bauxits ^y Graphitform oder eine Form aus anderem '^m kneten feuerfesten Material gewünschter Gestalt, ^r eine Form mit einem so gestalteten Hohlraum, j a'er eine Sandstrahldüse bildet, geben und die β iixitformmasse bei einem Druck von nicht wenige-1 56 kg/cm* und einer Temperatur von 1100 bis *jL°c während eines Zeitraums von 5 bis 25 Miten warmpressen. Keramische Gegenstände, bei-■ kweise Sandstrahldüsen, Schutzplatten, Ausklei-T^eenfür Anlagen usw., die auf diese Weise aus Bau-•fhergestellt wurden, besitzen mechanische FestigvJitseigenschaften und Abnutzungsbeständigkeiten, T mindestens den Eigenschaften der hochfesten bnutz»ingsbeständigen Keramikmaterialien entspre-' beispielsweise relativ reinem hochdichtem Aluminiumoxid, warmgepreßtem, relativ

regelrecht in den keramischen »Bauxite-Gegenstand eingepreßt werden können. Das Metall muß lediglich einen Schmelzpunkt oberhalb der Warmpreßternperatur und einen Wärmeausdehnungskoeffizient gleich 5 oder größer dem des »Bauxits« besitzen.

F i g. 1 zeigt eine Aufsicht eines warmgepreßten keramischen Bauxitbriketts 10, das die mit Gewinde versehenen Befestigungsbolzen bzw. -schrauben 12 enthält, die in das Brikett 10 eingepreßt sind,

F i g. 2 zeigt eine Randschnittansicht eines Briketts 10 längs der Linie 2-2 in F i g. 1, worin die Befestigungsschrauben 12 mit dem Flansch 14 dieser Befestigungsschrauben in das keramische Brikett 10 eingebettet sind,

F i g. 3 zeigt eine Aufsicht eines warmgepreßten keramischen Bauxitbriketts 16, das die mit Gewinde versehenen Befestigungsstifte 18 in die Platte 16 eingepreßt enthält,

ntertem Aiurnmiui«w«> ηα,,,,^^,^υ^ιι:, icittui- F i g. 4 zeigt eine Randschnittansicht des Briketts 16

f^S'i reinem Aluminiumoxid, gesintertem Bauxit, Wolf- 20 entlang der Linie 4-4 in Fig. 3, worin die Befesti-■^or<1 -¹U. dgl., und die hinsichtlich der Abriebs- gungsstifte 18 mit dem Flansch 20 dieser Befestigungsstifte in

... keramische Platte 16 eingebettet sind,

F i g. 5 zeigt eine weitere warmgepreßte keramische Bauxitplatte 22, die kein sichtbares Zubehör enthält, F i g. 6 zeigt eine Randschnittansicht der Platte 22 längs der Linie 6-6 in F i g. 5, die ein in die Mitte der Platte 22 eineepreßtes Drahtsieb 24 aufweist, und

Inständigkeit dem Borcarbid nur geringfügig unter-

Vorzugsweise haben die ernndungsgemäßen Gegenstände einen Abnutzungsfaktor kleiner als 0,31. Die feistungsfähigen Keramikgegenstände der Erfindung

können auch aus synthetischem Bauxit hergestellt . ^₁. „ „.^_r^„ ~ _-- -- - -

den Um dies zu erreichen, muß man lediglich in F i g. 7 zeigt einen Längsschnitt einer warmgepreUten

rnzerteilter Form die geeigneten Mengen an Metall- keramischen Bauxitsandstrahldüse 26 mit einer teil-

den wie vorstehend angegeben, durch die bekannte 30 weise im Schnitt dargeste'lten Längsansicht der Sand-

Tchni'k der chemischen Kolloidalverfahren vermi- strahldüse 26, wobei die Innenkammer 28 und die

1 en Die Art, in der die verschiedenen Metalloxide umgebende Wand 30 gezeigt sind, wiedergeben,

!animengemi'scht werden, ist jedoch ..ci.r kritisch Das erfindungsgemäße Keramikmaterial mit uner-

d muß mittels einer Kolloidalmethode oder anderer wartet hoher Festigkeit und hoher Abnutzungs-

V rfahren die ein mindestens ebenso inniges Gemisch 35 beständigkeit ergibt sich aus der bestimmten chemi-

r fern wie die Kolloidalmethode, erfolgen. In natür- sehen Zusammensetzung und der feinen Korngröße

'hem Bauxit sind die Oxide innig vermischt oder auf des natürlichen Bauxits. Die Hauptbestandteile des

tiirliche Weise gleichzeitig ausgeschieden und fein Bauxits sind Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Eisen(IIl)-

rteilt Es ist fast unmöglich, diese Bedingungen durch oxid und Titandioxid. Die relativen Mengenvernalt-

Ss'mechanisches Vermischen oder sogar Zu- 40 nisse dieser Oxide sind in hohem Maße variabel,

«mmenvermahlen der gewünschten Oxide zu wieder- je nach dem ursprünglichen Charakter des Bodens,

ITn 7m Herstellung der optimalen bauxitähnlichen den Witterungsbedingungen, denen sie unterworfen

ESmiefißenstände der Erfindung müssen die ver- waren und dem geologischen Zeitintervall der Ver-

Sedenen Oxide innig vermischt werden, wobei jedes Witterung. Praktisch kann jeder Bauxit zur Durch Sd eTne Teilchengröße im Bereich der sogenannten 45 führung der Erfindung verwendet werden. Jedoch

kofoidalen Teilchen, d. h. etwa 500 ηψ, aufweist. Ist sind gewisse Bauxite, d. h. Bauxite die in bestimmten

rie synthetische Bauxit einmal hergestellt, so wird er Teilen der Welt abgebaut werden, besser geeignet als

?n e ner der bei natürlichem Bauxit angewendeten andere. In Tabelle I ist die Zusammensetzung nach

Wehe identischen Verfahrensweise zur Herstellung der dem Calcinieren von vier Bauxiten wiedergegeben, die Ξ SnSungsbeständigen keramischen Bauxit- 50 zur Herstellung des neuen Keram.kmatenals verwendet

gegenstände weiter verarbeitet. werden können. Keramikmaterialien, die durch das Verfahren und

aus dem Bauxit und den bauxitähnlichen Materialien, Tabelle I

die im folgenden als »Bauxit« bezeichnet weiden, gemäß _μ den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung 55 ^naux'^ldri

hergestellt wurden, weisen eine Druckfestigkeit in der

Größenordnung von 28 000 kg/cm² und eine Abriebsbeständigkeit in der Größenordnung des äußerst Arkansas abriebsbeständigen Materials Borcarbid auf. MeUll-Qualitat

Ein bevorzugter keramischer Gegenstand der Erfin- 60 Surinam

dung ist durch eine Mindestbiegfestigkeit von Jamaica

3160 kp/cm· und eine Mindestdruckfestigkeit von aufgeführten Bauxit-

SiO»

8,84
6,88
2,53
4.13

TiO,

2,68 2,68 3,32 1,96

3,29

1,49

6,74

14,05

Al₂O₃

85,19 88,95 87,41 79,86

treffenden vier Hauptoxide können weitgehend variiert lieh hoch. Jedoch, selbst wenn Bauxit am gleichen Ort werden, jedoch weist die sich dem Idealwert nähernde abgebaut wird, d. h. aus derselben Ader, kann die Zusammensetzung einen geringen Siliciumdioxid- quantitative Ungleichmäßigkeit recht hoch sein. Um gehalt und hohen Eisen- und Titandioxidgehalt auf, keramische Bauxitgegenstände hoher Qualität zu wobei der Hauptbestandteil des Materials aus Alu- 5 erzeugen, wird der unmittelbar abgebaute grob miniumoxid besteht. Eine optimale Zusammensetzung zerkleinerte Bauxit vermählen, bis das Material weist etwa 3 % Titandioxid, 7 % Eisen(III)-oxid, einen chemisch einheitlich ist. Der Mahlprozeß kann mit Siliciumdioxidgehalt von weniger als 3 % und als Rest üblichen Vorrichtungen, z. B. Kugelmühlen, Hammer-Aluminiumoxid auf. mühlen, Schlagmühlen usw., durchgeführt werden. Die vorstehend erwähnte »optimale Zusammen- io Die Vermahlzeit muß nur so lang sein, als zur Gleichsetzung« konnte durch Versuche mit einer Reihe mäßigmachung des ursprünglichen grob zerkleinerten synthetisch hergestellter Bauxite erreicht werden, in Bauxits notwendig ist.

denen die prozentualen Konzentrationen an Silicium- Wenn das Vermählen zum Gleichmäßigmachen des

dioxid, Titandioxid und Eisen(III)-oxid unter Bei- grob gebrochenen Bauxits feucht erfolgt, sollte dieser behaltung eines konstanten Aluminiumoxidgehalts 15 Mahlvorgang vor der Calcinierstufe durchgeführt variiert wurden. Bei diesen Versuchen wurde der werden, um das Mahlwasser zur gleichen Zeit wie das Siliciumdioxidgehalt von 0 bis 5 %, der Titandioxid- Hydratationswasser zu entfernen. Wenn trocken vergehalt von 0 bis 5 % und der Eisen(III)-oxidgehalt von mahlen wird, kann der Mahlvorgang entweder vor 0 bis 5% variiert, wobei der Rest Aluminiumoxid war. oder nach dem Calcinieren erfolgen. Das Ergebnis dieser Untersuchungen zeigte, daß so Die Teilchengröße ist relativ unwichtig, so weit die sowohl die Verarbeitung als auch die Eigenschaften verschiedenen Oxide gleichmäßig innerhalb jedes des fertigen Keramikgegenstandes durch die Anwesen- Teilchens verteilt sind. Sehr grobe Partikeln, z. B. heit der höheren Mengen Titandioxid und Eisen(III)- von etwa 3 mm Durchmesser, können wegen des oxid erheblich verbessert wurden, wobei insbesondere Druck-Temperaturcharakters des Formungsvorgangs das Eisen(III)-oxid einen sehr markanten Einfluß auf 35 verwendet werden. Jedoch ist bei Durchführung der die Verdichtung des fertigen Gegenstandes ausübt. Erfindung, wobei der Bauxit gemahlen wird, das Das Siliciumdioxid scheint weder auf die Verarbeit- erhaltene Grundmaterial stets sehr feinteilig, wobei die barkeit noch auf die Eigenschaften des Endproduktes mittlere Teilchengröße sich gut unterhalb 50 μ bewegt. einen günstigen Einfluß auszuüben, tatsächlich wurden Der Warmpreßvorgang und die Vorrichtung sind

die besten Resultate erhalten, wenn der ursprüngliche 30 in der Literatur, z. B. den US-PS 26 18 567, 32 79 917, Ansatz des Ausgangsmaterials kein Siliciumdioxid 33 03 533, 33 40 270, entsprechend beschrieben. Jedoch enthielt. besteht ein sehr fundamentaler Gesichtspunkt der

Außerdem sollten natürlich vorkommende Bauxite Erfindung in dem anzuwendenden engen Temperaturzur Durchführung der Erfindung etwa innerhalb des bereich zusammen mit einem Bauxit einer speziellen Zusammensetzungsbereichs von 78 bis 94% Al₂O₃, 35 chemischen Zusammensetzung, um die gewünschten weniger als 9% Siliciumdioxid, 2 bis 8% Fe₂O₃, 2 bis neuen keramischen Bauxitgegenstände herzustellen. Es 4% TiO₈ und bis zu 3% Gesamtstoffe CaO, MgO wurde gefunden, daß zur Herstellung der gewünschten und Na₂O fallen. Keramikgegenstände aus Bauxit das Warmpressen

Abgebauter natürlicher Bauxit ist ein weicher Stein, innerhalb eines relativ engen Temperaturbereichs von der gebrochen werden muß. Bauxit ist aus den Hy- 40 1100 bis 1400⁰C und vorzugsweise bei etwa 125O⁰C draten des Aluminiumoxids, Titandioxids, Eisen(III)- erfolgen muß. Das optimale Produkt wird gewöhnlich oxids und Siliciumdioxids aufgebaut und kann daher bei letzterer Temperatur erzeugt. Wenn die Warmso lange nicht zur Herstellung keramischer Materialien preßtemperatur sich nach jeder Seite von 1250 ⁰C verwendet werden, bis das Hydratwasser entfernt ist. verschiebt, so setzt bei den erwünschten Gesamt-Um dies zu erreichen, wird roher Bauxit grob ge- 45 eigenschaften des Keramikproduktes eine graduelle brochen und bei etwa 400 bis 1000°C während ver- Verschlechterung ein. Noch innerhalb des Bereichs schiedener Zeiträume, die von der Art der verwen- von 1100 bis 1400° C ist das erhaltene Produkt den deten Calciniereinrichtung und physikalischen Ge- qualitativ hochwertigen mit hohen Kosten verbundenen Sichtspunkten, wie beispielsweise der Größe der grob keramischen Materialien, die laufend für hoch ab gebrochenen Bauxitteilchen, der Stärke des zu calci- 50 riebsbeständige Anwendungen oder Anwendungen, bei nierenden Materialbettes u. dgl. abhängen, calciniert. denen eine hohe Festigkeit des keramischen Materials Calcinierungstemperaturen weit unter 900⁰C ergeben erforderlich ist, verwendet werden, äquivalent oder kein vollständig dehydratisiertes Produkt; eine Calci- lediglich geringfügig unterlegen. Von den drei Vernierung bei etwa 400° C entfernt etwa 75 % des Hydrata- fahrensvariablen, Temperauir, Druck und Zeit, ist die tionswassers. Das nach Calcinierung bei 400⁰C oder 55 Zeit die kritischste Variable. Eine Temperatur bei einer Temperatur, die erheblich unterhalb 900⁰C unterhalb 1100⁰C läßt keine ausreichende Verdichtung liegt, zurückbleibende Wasser, liefert manchmal ein des Bauxitpulvers bei vernünftigem Druck erreichen; beschädigtes Endprodukt, was auf den Druck zurück- andererseits ergibt sich bei Temperaturen oberhalb geht, der durch die Verflüchtigung des Restwassers von 1400⁰C ein Kristallwachstum, das den hohen ausgeübt wird, und durch den Warmpreßvorgang 60 Fesügkeitseigenschaften und der Abriebsbeständigkeit innerhalb des Gesamtverfahrens herbeigeführt wird. des Produktes entgegensteht.

Im Idealfall sollte die Calcinierung bei etwa 900⁰C Der wirksame Druckbereich des Verfahrens wird

durchgeführt werden, um ein vollständiges Entfernen durch die vorstehenden Temperaturgrenzen von des Hydratationswassers sicherzustellen. 1100 bis 1400⁰C und durch die Stärke des gewünschten

Abgebauter natürlicher Bauxit ist bekanntlich in 65 Keramikgegenstandes bestimmt. Es wurde gefunden, seinem Charakter quantitativ uneinheitlich. Diese daß zur Herstellung eines hoch abriebsbeständigen Ungleichmäßigkeit ist in Bauxiten, die in verschiedenen keramischen Gegenstandes mit einem vernünftigen geographischen Orten abgebaut werden, außerordent- Festigkeitsgrad die Stärke des Stückes im Bereich von

6,3 mm liegen soll, was selbst bei der oberen Temperaturgrenze von 1400°C einen Mindestdruck von 56 kg/ cm² erfordert. Es besteht im wesentlichen keine obere Begrenzung des Drucks, ausgenommen solche Begrenzungen, die durch das praktische Vorgehen und die Begrenzungen der Anlage gegeben sind. In allen Fällen muß jedoch der Druck bei gegebener Temperatur ausreichend hoch sein, um den Bauxit auf eine Minimaldichte von etwa 3,62 g/cm³ zu verdichten. Wenn man zwei hochfeste abriebsbeständige Platten, von denen eine eine Stärke von 6,3 mm und die andere eine Stärke von 25 mm aufweist, bei einer Temperatur von 1250⁰C herstellen möchte, so wird zur Herstellung der 25 mm dicken Platte ein höherer Druck benötigt als zur Herstellung der 6,3 mm dicken Platte.

Die Zeitvariable der Warmpreßstufe des Verfahrens, d. h., die Zeit, während der das unter Druck stehende Material bei einer bestimmten vorgegebenen Temperatur vorliegt, wird am auffallendsten durch die Warmpreßtemperatur beeinflußt. Je höher die Warmpreßtemperatur ist, um so kürzer muß die Warmpreßzeit sein, um merkliche Änderungen der Kristallgröße in der Richtung des Kristallwachstums zu vermeiden.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Gegenstandes aus keramischem Material einer gewünschten Stärke ergibt sich eine optimale Drück-Temperatur-ZeitkombinaMon, die durch einfache Versuche bestimmt werden kann; man kann willkürlich die Mitte des Bereichs für jede der drei Variablen auswählen.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist von erheblichem wirtschaftlichen Interesse. Gemäß dieser Modifikation wird der gemahlene und calcinierte Bauxit mit einer geringen Menge eines organischen Materials, das als zeitweiliger Binder wirkt, angefeuchtet. Der angefeuchtete Bauxit wird dann zu der gewünschten Gestalt durch vorpressen in einer Form bei Raumtemperatur vorgeformt. Eine Anzahl dieser vorgeformten Gegenstände der gleichen Gestalt und wobei wenigstens zwei Dimensionen die gleichen sind, werden in eine einzelne Graphitform gebracht und bei der gewünschten erhöhten Temperatur und dem gewünschten Druck durch einen Stufenpreßvorgang gepreßt. Während der Warmpreßphase brennt der zeitweilige Binder, der ein organisches Material ist, sauber aus dem keramischen Körper aus. Die Hauptvorteile des kalten Formens vor dem Süs?enpressen in der Warmpresse bestehen in einer Steigerung der Herstellungsgeschwindigkeit und einer wirksameren Anwendung der Warmpreßanlage.

Jede beliebige andere Kaltverformungstechnik kann in wirksamer Weise angewendet werden, z. B. Gleitgießen.

Keramikgegenstände, die sich aus den vorstehend beschriebenen Materialkombinationen und dem Verfahren ergeben, besitzen unerwartet hohe Abriebsbeständigkeit. Die Abriebs- oder Abnutzungsbeständigkeit wird durch einen speziell konstruierten Abriebstest gemessen und durch einen mit tAbnutzungsfaktor« bezeichneten Wert wiedergegeben. Je geringer der Wert des sogenannten Abnutzungsfaktors ist, um so größer ist die Beständigkeit des Materials hinsichtlich der Abnutzung. Die Werte des Abnutzungsfaktors werden unter Anwendung einer speziell entworfenen Vorrichtung erhalten, wobei im wesentlichen eine Testprobe des Materials bei einem bekannten Druck dem Abrieb durch Siliciumcarbidsand ausgesetzt wird, der über die Fläche der Testprobe bei einer bekannten Geschwindigkeit während eines vorbestimmten Zeitraums wandert, wonach die Eindringtiefe in das Stück oder die Stärke des durch den Abrieb abgeschliffenen Materials gemessen wird. Diese Werte werden dann zur Beiechnung des »Abnutzungsparameters« verwendet, der wiederum dazu benutzt wird, zu dem Abnutzungsfaktor zu gelangen, indem der berechnete Abnutzungspaiameter zu dem Abnutzungsparameter eines beliebig gewählten Bezugsmaterials in Beziehung gesetzt wird. Genauer ausgedrückt, wird für das erfindungsgemäße Material der Verwendung unter Anwendung von Siliciumcarbid, einem Druck von 1,7 kg/cm² und einer Korngeschwindigkeit von 228 m/min durchgeführt. Das Bezugsmaterial ist warmgewalzter Stahl 1020, und die Größe der Testprobe beträgt 25 χ 12,7 χ 12,7 mm und bietet eine Oberfläche von 12,7 χ 25 mm. Das gemessene Zeitintervall des Abriebs wurde veiändeit, um eine Eindringtiefe in das Probenstück zu bekommen, die ausreicht, um eine genaue Messung duichzuführen. Die Abnutzungspaiameter werden unter Anwendung folgender Gleichung berechnet:

Abnutzungsparameter —

Y/T

worin V — Korngeschwindigkeit, T = Versuchszeit, Y = Eindringtiefe (Stärke der abgeschliffenen Schicht) darstellen.

Die so abgeleiteten Abnutzungsparameter dei untersuchten Materialien werden dann zu dem Abnutzungsparameter von warmgewalztem Stahl 102C in Beziehung gesetzt, indem ersterer durch letzterer geteilt wird, wobei sich eine Zahl, der sogenannte »Abnutzungsfaktoi«, ergibt. Materialien mit einem Abnutzungsfaktor von weniger als 1 sind hinsichtlich der Abnutzungsbeständigkeit dem Bezugsmaterial, warmgewalztem Stahl 1020, überlegen.

In dieser Weise wurde eine Reihe qualitativ hochwertiger üblicherweise verwendeter abriebsbeständigei keramischer Materialien hinsichtlich der Abriebsbeständigkeit mit dem erfindungsgemäßen waimgepreßten keramischen Bauxitmaterial verglichen. Dit Ergebnisse sind in Tabelle II wiedergegeben.

Tabelle Il

Material

Abnutzungsfaktor

Warmgewalzter Stahl 1020

1,00

Hochreines warmgepreßtes Aluminium- 0,70 oxid

Gesinterter Bauxit A 0,70 M2-Hochgeschwindigkeitswerkzeugsiahl 0,54 Warmgepreßtes Titanborid 0,31

Warmgepreßtes mit Kobalt gebundenes 0,15 Wolframcarbid

Warmgepreßtes Borcarbid 0,06

6_S Bauxit A, bei 1200⁰C warmgepreßt 0,13

Bauxit A, bei 1300⁰C warmgepreßt 0,17 Bauxit A, bei 1400'C warmgepreßt 0,31

9 ^Λ ίο

Bauxit A war ein Surinam-Bauxit der folgenden Verstärkungsmedien, wie Stäbe, Drahtgewebe, perZusammensetzung: forierte Platten, Teilchen oder gehackte Stränge; odei

Al₂O₃ 87,3 % Metallrohre oder Spulen zur Förderung von Kühlluft

Fe₂O₃ 6J % ^oc*^er Flüssigkeiten aufweisen. Der einzige Begrenzungs-

TiO₂ 3)3 % ⁵ faktor hinsichtlich der erfolgreichen Einformung vor

SiO₂ 2,5% Metallkomponenten besteht darin, daß die Metall-Andere Materialien 0,2% komponente aus einem Metall mit einem Wärmeaus·

dehnungskoeffizient, der gleich oder größer als der-

Aus der Tabelle ist leicht zu ersehen, daß die bei jenige des keramischen Materials ist und wobei dei

1200, 1300 und 1400⁰C warmgepreßten Bauxit-A- 10 Schmelzpunkt des Metalls natürlich oberhalb vor

Proben sämtlichen aufgeführten Materialien ein- 1400⁰C liegen muß oder wenn die bevorzugte Preß-

schließlich des hochabnebsbeständigen Materials Ti- temperatur von 125O⁰C verwendet wird, oberhalb dei

tanbond überlegen sind. Die bei 1200 und 1300⁰C letzteren Temperatur liegen muß, aufgebaut sein muß,

warmgepreßten Bauxite sind hinsichtlich der Ab- Ausgedehnte mikroskopische Studien und physi-

nutzungsbeständigkeit etwa gleich dem kobaltge- ._s kaiische Untersuchungen an Keramikproben, die au«

bundenen Wolframcarbid und erreichen etwa die bei 1100 bis 1400⁰C warmgepreßtem natürlichem und

äußerst hohe Abnutzungsbestand.gke.t von warm- synthetischem Bauxit hergestellt waren, ergaben zwei

gepreßtem Borcarbid. Tabelle II gibt auch den Einfluß Fakten, nämlich ·

der Preßtemperatur auf den Abnutzungsbeständig- at-»·'

keitscharakter des Bauxits A wieder. Ein Warm- ao ..£ ^s'^{hr feine} kristalline Natur des Ursprüngpressen bei 1200 bis 1300⁰C liefert Materialien mit . .^{rohen Aus}gangsmaterials veränderte sich etwa gleich hoher Abriebsbeständigkeit, wenn jedoch ^nichf ^{viel wänrend} des angewandten Temperaturdie Temperatur 1300⁰C übersteigt, tritt als Funktion bereichs auf Grund der angewendeten niedrigen der Temperatm ein Abfall der Abriebsbeständigkeit ein Temperaturen. Durch Warmpressen bei einei was sich durch den fast 100%igen Abfall der Abriebs- 25 Temperatur von 1100 bis 1400° C wurden Kerabeständigkeit beim Übergang von einer Warmpreß- mikgegenstände mit einer numerischen mittlerer temperatur von 1300 auf 1400⁰C ausdrückt. Kristallgröße im Bereich von0,5 μ (die annähernde Fernei wird der Abnutzungsfaktor nicht nui durch Kristallgröße des nicht verpreßten ursprünglicher Temperaturen oberhalb von 1400⁰C beeinträchtigt, _R ^AusS^an8^smaterials) bis etwa 1,8 μ. erzeugt,
sondern ebenfalls durch das spezifische Gewicht des 30 ^^as Auftreten von Eisen-Aluminiumspinell, dei keramischen Gegenstandes, der sich bei den verschie- ursprünglich nicht vorlag, und die faserartige denen Kombinationen von Temperatur und Druck Textur und kugelförmigen Teilchen des Eisens innerhalb des Temperatur-Druckparameters der Er- belegen die Anwesenheit einer flüssigen Phase, findung ergibt. Beispielsweise variierte eine Reihe von Das VnrliWpn ,w«·· m. u ■ j-Versuchsproben.dieunterverschiedenenVerarbeitungs" 35 Preßten™!fZl^ «^uf ^^εη fhase bei diesen genngen bedingungen zwischen 1100 bis 140O⁰C und 56 bs die fü7 dt Sau K rV™ i°^{hCn 0}^*" ' 425 kg/cm» hergestellt worden waren, im spezifischen erreichbar L ™ 1Ϊ ™ ^Zusam,^mensf ^tzu"f: Gewicht von 3,63 bis 3,91 g/cm* bei einem ent" de erhaltene hoTe F "lT? "ΤΪ^ΐϊ! · f sprechenden Bereich des Abnutzungsfaktors von 0,25 be^igS i^S&S Struktur'dfeser

Keramische Bauxitmaterialien, die gemäß den *° SSÄKfÄ· f_t ?? ™

bevorzugten Ausführungen der Erfindung hergestellt eSSS Z Ä Ύ JP?

wurden, weisen die beachtliche Biegefestigkeit von niSSSSidikriT^ ^dw^_Vl ^df ^A**¹ ^/

3160 kg/cm* und Druckfestigkeit von 28 100 ke/cm' Jon Ξ ί Ι Μ,ηΐ⁰""* Anwendung

auf, wenn der Bauxit nahe seiner maximalen theore- 45 SeSAS' J³⁰?⁰

tischen Dichte warmgepreßt wird. Warmgepreßte T^^^^ffF^ ^ ^ ^TT

Proben können dicht zu ihrem theoretischen spezi- eSmoSr , η ' ^FestlS^keit gesinterter,

fischen Gewicht mit Drücken von nur 56 kg/cmCd SSTumSkehr,^ ^Wai"_t ^mS^eP^reßter Keramikgegen-

Temperaluren bis zu nur 1100⁰C gepreßt werden größe ist S_n J ^?v!TT^' ^{ZUr mi}"^{leren 1}^"⁵¹?,"'

wenn die Stärke der hergestellten Proben in der 50 SübdSt wird^{das betTeffende} Serial polyknstalhn 'Größenordnung von 6,3 mm liegt Wie sich dem

Fachmann von selbst ergibt, muß je größer die ge- B e i s ρ i e 1 1

^wünschte Stärke des fertigen Keramikgegenstandes ist, T_n einem tvnicM,» r> · · ,

die Temperatur und/oder der Druck um so größer EiSS^^SrtÄ?"^ ^^^Durchführung J^er

sein, um diese Materialien als pulverförmigen Bauxit 55 Zustend fu^W^ -I^ ^{m emen} &"&***

auf maximale theoretische Dichte zu verdichten ί^S? So^T'T" ^⁰^ ^indem ^*⁰™

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, S?e bau^it 25(ί)1 X^orzella^«gelmühle 2500 g Roh-

Von grundlegender Bedeutung ist, besteht darin! daß /Su^SAiSSL·^ ⁵ΓI ^f^

fcuf Grund der relativ niedrigen Warmpreßtemperatu- Porze "aXhählr ^^g ^ ^emS^ebracht ^^Γ<!επ· ^De"

ren, d. h. weniger als 1400⁰C, Meiallbestandteile 60 SShSS^S^mS¹¹", ^f^ "ΐ "ί

direkt in den Keramikgegenstand, wenn dieser warm- 24 Stunden allow ?? ^{der Bauxit wahrend}

gepreßt wird, eingepreßt werden können. Dadurch wurde dann abdekaSert. un'rf _H ^Übe _f ^rsch?^ssif. ^Wf^SSer

trgeben sich keramische Gegenstände, die einge- sierte uXin! V ^{der feuchte} fempulven-

preßte funktioneile Metallkomponenten, wie z. B mit Sr 4 <£ η ^verml^ar^hi^{e Baux}*t wurde dann bei

Gewinde versehene Bolzen bzw. Schrauben oder Stifte 6, Prüfune d« VÜE— -w^· ^Eine mikroskopische

tor Befestigung des Keramikgegenstandes an den TdlchenCT?ße^nT^ JIf^c^{dS κίείε eine mitt!ere}

Wänden, beispielsweise von Malanlagen, Erzrutschen, ^Sf^S^SZ η * ? ^{μ a}"' ^{die etWa} ^ ^dCf

itergbauanlagen u.dgl., enthalten oder metallische anzutreffende^ ΑΓιΐ ¹S ^natürlichem **uxt

^{cu υχια}6 liegt. Zu diesem Zeirounkt

wurden 1245 g des gemahlenen und calcinieren Bauxits in eine Graphitform mit geeigneten Dimensionen, zur Herbeiführung des Warmpressen eines Briketts von 11,4 χ 6,3 x 4,4 cm, gebracht. Der in der Graphitform enthaltene Bauxit wurde dann in einer Warmpreßvorrichtung angeordnet, z. B. der gemäß der US-PS 33 03 533 und bei etwa 350 kg/cm² und einer Temperatur von 125O⁰C gepreßt, wobei diese Temperatur ausreichend lang beibehalten wurde, damit die gesamte Masse des Bauxits bei der Temperatur von 125O°C etwa 5 Minuten warmgepreßt wurde. Für diesen Zeitpunkt wurden sowohl die Temperatur als auch der Druck freigegeben, und man ließ das warmgepreßte Brikett und den Formaufbau langsam etwa 12 Stunden abkühlen. Das so hergestellte Brikett war hart und dicht, wies ein spezifisches Gewicht von 3,88 g/cm³ und einen Abnutzungsfaktor von 0,16 auf.

Beispiel 2

Eine zweite 2500 g Menge Surinambauxit wurde in gleicher Weise, wie im Beispiel 1 beschrieben, in den geeigneten Zustand zum Warmpressen gebracht. Etwa 890 g des gemahlenen und calcinierten Bauxits wurden in eine Form gebracht, die der gemäß Beispiel 1 identisch war. Jedoch wurde in diesem Fall die gesamte Menge von 890 g Bauxit in Anteilen unter Feststampfen von Hand zur Kompaktierung des Pulvers nach Zugabe jedes Anteils in die Form gebracht. Nachdem etwa 60 % der 890 g in Anteilen unter Feststampfen in die Form gegeben waren, wurden zwei feste Stahlstücke von etwa 18 χ 18 x 13 mm und die am unteren Teil einen kleinen Flansch aufwiesen, sorgfältig in der Form angeordnet, und dann wurde der Rest der 890 g Bauxit zugefügt und festgestampft. Der die beiden Metalleinfügungen enthaltende festgestampfte Bauxit wurde dann in der gleichen Weise, wie im Beispiel 1 beschrieben, gepreßt. Nach dem Abkühlen wurde das Stück aus der Form entfernt, und die Metalleinlagen wurden gebohrt und zur Aufnahme einer Schraube eingeschnitten, die zur Befestigung des fertigen Keramikstücks an einer Metallgrundlage verwendet wurde.

Der Aufbau dieses zusammengesetzten Keramik-Metallgefüges entsprach etwa dem des in den F i g. 3 und 4 wiedergegebenen Aufbau.

Beispiel 3

Zehn Bauxitkeramikplatten oder -ziegel von 152 χ 152 χ 9,5 mm wurden dadurch hergestellt, daß 6000 g Surinambauxit in 6000 g Wasser 24 Stunden in einer Kugelmühle vermählen wurden. Der gemäß der Zusammensetzung einheitliche Bauxit wurde dann von überschüssigem Wasser befreit und während 4 Stunden bei 900°C calciniert. Eine Menge von 3000 g des gemahlenen und calcinierten Bauxits wurde in einen üblichen Hobart-Mischer gebracht, und es wurden 300 g eines 4%igen Methylcellulosederivat in Wasser zu dem Bauxit zugegeben; das Gemisch wurde bis zur Gleichmäßigkeit vermischt. 300 g dieses Gemisches wurden in eine Stahlform von 152 χ 152 χ 101 mm mit geeigneter Grund- und Deckplatte gebracht, und das Gemisch wurde bei 105 kg/cm² und Raumtemperatur gepreßt, wobei die Form und die Platten vorher mit Butylstearat, das als Entformungsmittel wirkte, überzogen waren. Die auf diese Weise kaltgepreßte Platte oder der Ziegel wurde aus der Form entfernt und während 10 Stunden bei 60⁰C getrocknet. Weitere neun Ziegel oder Platten wurden in identischer Weise kaltgepreßt. Diese kaltgepreßten oder sogenannten vorgeformten Platten wiesen Ausmaße von 152 χ 152 χ 19 mm auf und hatten eine Dichte von etwa 1,6 g/cm³. Die Platten wurden dann in eine einzige übliche Graphitform mit Innenabmessungen von 152 χ 152 χ 508 mm gebracht, die eine Graphitbodenplatte oder einen Kolbenblock und eine Deckplatte oder einen Kolbenblock aufwies, wobei die in die Form gebrachte vorgeformte Platte jeweils von der anderen durch eine Graphitabstandsplatte von eiwa 13 mm Stärke getrennt war. Die in der Graphitform enthaltenen kaltgeformten Platten wurden dann einem östündigen Erhitzungszyklus bei einem Druck von 105 kg/cm² unterworfen, wobei der Erhitzungszyklus aus einem Temperaturanstieg von Raumtemperatur auf 1250⁰C

ao von 5V2 Stunden und einem 30minütigen Dauererhitzen bei i250°C bestand. Nach dem 6stündigen Preßzyklus wurden die Wärmezufuhr und der Druck abgebrochen, und man ließ den Forminhalt etwa 10 Stunden abkühlen, und zu diesem Zeitpunkt wurden zehn Formstücke aus dem Formaufbau entfernt. Die Dichte dieser warmgepreßten Formstücke lag bei etwa 3,9 g/cm³. Die Platten wurden ballistisch gegenüber qualitativ hochwertigen, sehr kostspieligen Borcarbidpanzerplatten getestet. Die warmgepreßten Bauxitplatten waren den Borcarbidplatten, wobei beide Arten von Platten gleiche Stärke aufwiesen, hinsichtlich ihrer Fähigkeit, dem Eindringen ballistischer Projektile zu widerstehen, äquivalent.

Beispiel 4

Eine Bauxitkeramikplatte von 152 χ 152 χ 9.5 mm wurde hergestellt, die ein Stahlsieb aus rostfreiem Stahl von 105 χ 105 mm und einer lichten Maschenweite von 1,4 mm enthielt, das etwa in der Mitte der Stärke der 9,5 mm Platte angeordnet war. Diese mit Drahtsieb verstärkte Platte wurde in der gleichen Weise, wie im Beispiel 2, mit Bezug auf die Herstellung des Rohbauxits für die Kaltformungsphase des Verfahrens und die Warmpreßbedingungen beschrieben, hergestellt. Die Kaltpreßphase des Verfahrens unterschied sich in diesem Fall wie folgt:

Das Kaltpressen erfolgte in zwei Stufen. Zunächst wurden 130 g des mit der Meihylcelluloselösuns behandelten Bauxits i η eine Stahlform von 152 χ 152 mm gegeben und bei 105 kg/cm² gepreßt. Die Deckplatu der Form wurde dann entfernt und das 152 χ 152 mn große Stahlsieb aus rostfreiem Stahl mit einer lichter Maschenweite von 1,4 mm wurde in der Form obei auf das bereits kaltgeformte Material aufgelegt, au das Sieb folgten dann 130 g behandelter Bauxit, di< Deckplatte wurde wieder angeordnet, und die zu sammengesetzte Anordnung wurde bei 105 kg/cm gepreßt. Der kaltgepreßte Verbundkörper mit dei Ausmaßen 152 χ 152 χ 19 mm wurde dann aus de Form genommen, getrocknet und wie im Beispiel warmgepreßt. Diese keramische Bauxit-Drahtgewebe Verbundplatte behielt ihre geometrische Konfiguratio: trotz Aufgabe genügender Energie, um den kerami sehen Bauxitanteil des Verbundkörpers zu zerschlaget bei.

Diese verstärkte keramische Panzerplatte ist in de F i g. 5 und 6 wiedergegeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Anlagen und Personen gegen ballistische Bedrohungen Patentansprüche: verwendet, wobei der Erfolg dieser Keramikmaterialien weitgehend auf ihre hohen Festigkeitseigenschaften

1. Warmgepreßter Aluminiumoxid enthaltender und deren leichtes Gewicht im Vergleich zu den keramischer Gegenstand mit hoher Festigkeit und 5 üblicheren Panzermaterialien, wie Stahl, zurück-Beständigkeit gegen Abnutzung, g e k e η n- zuführen ist.

zeichnet durch ein spezifisches Gewicht Abriebfeste keramische Materialien, wie beispiels-

von wenigstens 3,62 g/cm³, eine numerische mitt- weise gesinterte Aluminiumoxidmassen, Porzellan,

lere Kristallgröße von 1,8 μηι oder weniger und Stellit, Wolframcarbid, Borcarbid, und sogar gesin-

einen Gehalt von 78 bis 94% Al₂O₃, 0 bis 9% SiO₂, io terter Bauxit sind seit vielen Jahren bekannt, siehe

2 bis 8% Fe₂O₃, 2 bis 4% TiO₂ sowie insgesamt die Keramikmaterialien gemäß den US-PS 10 96 688,

O bis 3% CaO, MgO und Na₂O. 13 93 562 und 32 28 147. Die Verwendung dieser

2. Verfahren zur Herstellung eines abnutzungs- hochfesten keramischen Materialien als Schutzbebeständigen, festen keramischen Gegenstandes wehrung ist nicht annähernd so bekannt, jedoch ist die nach Anspruch 1 durch Warmpressen eines Alu- 15 Verwendung wenigstens eines der Materialien, nämlich miniumoxidmaterials, dadurch gekennzeichnet, daß Borcarbid, in J.V.E. Hansen, »Research and man ngtürlichen oder synthetischen Bauxit ent- Development«, Juni 1968, S. 26 bis 31, beschrieben, sprechender Zusammensetzung auf Gleichförmig- Obgleich diese Materialien mit einigem Erfolg verkeit mahlt, ca]ciniert und unter Anwendung eines wendet werden, sind sie mit dem erheblichen Nachteil Drucks nicht geringer als 56 kp/cm² und einer 20 hoher Kosten behaftet. Beispielsweise werden einige Temperatur von 1100 bis 1400⁰C mittels einer der abriebsbeständigen, hochfesten Keramikgegen-Form geeigneter Konfiguration ausformt, wobei stände aus Grundmaterialien, wie WolframcarDid, Druck und Temperatur ausreichend lang bei- Titancarbid, Borcarbid oder hochreinem Aluminiumbehalten werden, um eine Verdichtung des Bauxits oxid, hergestellt; derartige Gegenstände können unter auf ein spezifisches Gewicht mindestens 3,62 g/cm³ 25 Anwendung bekannter Warmpreßverfahren hergestellt herbeizuführen. werden, jedoch sind die Ausgangsgrundmaterialien