DE2121969A1

DE2121969A1 - Kohlenstoff- und metallhaltige Verbundartikel und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2121969A1
Application number: DE19712121969
Authority: DE
Inventors: Michael George Wantage; MacPhail Iain Tilehurst Reading; Berkshire Nicholas (Großbritannien)
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1970-05-04
Filing date: 1971-05-04
Publication date: 1971-11-25
Also published as: US3778261A; ZA712842B; IE35184B1; FR2091202A5; IT942412B; SE379791B; GB1343427A; NL7106096A; IE35184L

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF 7 171 QRQ

PATENTANWÄLTE
8 MÜNCHEN 8O, MAUERKIRCHERSTR. 45

Dr. Berg Dipl.-Ing. Stopf, 8 MOndien 80, Mauerkircherstrgßa 45 ·

Ihr Sehreiben Unser Zeichen 20 999 Datum 1| . Mal 1971

Anwaltsakten-Nr. 20 999

United Kingdom Atomic Energy Authority 11,Charles II Street, London SW 1 / England

"Kohlenstoff- und metallhaltige Verbundartikel und Verfahren zu ihrer Herstellung"

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Verbundartikeln, enthaltend eine metallische Grundmasse mit einem daran gebundenen, kohlenstoffhaltigen Material und die so hergestellten Artikel. Die Erfindung befaßt sich insbesondere, obwohl nicht nur ausschließlich, mit Verbund-

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• x/x ·

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artikeln, welche kohlenstoffhaltige Materialien, wie z.B. Kohlefasern, DiamantSchmirgel oder feuerfeste Metallcarbide inkorporiert enthalten oder damit überzogen oder imprägniert sind.

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Pestzustand-Verfahren zum Binden von kohlenstoffhaltigem Material in einem Grundmassen-Haterial zu schaffen.

Der Ausdruck "Pestzustand" ist so zu verstehen, daß das Verfahren der vorliegenden Erfindung bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Grundmassen-Haterials durchgeführt wird, d.h., während die Grundmasse ein Peststoff ist und es ist demzufolge von den Verfahren gemäß dein Stande der Technik zum Binden von Diamanten in Metall-Grundmassen verschieden, die auf der "Schmelz"-Fähigkeit von verschiedenartigen I'Iaterialien beruhen und die bei Temperaturen durchgeführt v/erden, bei welchen das Grundmassen-i-laterial geschmolzen ist. Die· vorliegende Erfindung unterscheidet sich ferner noch von dei-i Verfahren nach dem Stande der Technik, welches das Schmelzen und Verschmelzen eines Bronze-Materials erfordert, das auf die Diamanten vor dem In-Berührung-ßringen mit der Grundrnasse, .in welcher sie aufgenommen werden sollen, aufgebracht wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur

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herstellung eines Verbundartikels das Formieren einer Metall-C-runüiaasse_s welche einen geeigneten Carbid-bildenden Bestandteil wie nachstehend definiert, einschließt, das In-Berührungr;rini;.en der Grundmasse mit einem, in die Grundma&se einzuarbeitenden, kohlenstoffhaltigen Material und das Erhitzen der G-rundiaasse auf eine vorher bestimmte Temperatur unterhalb des .Schmelzpunktes der Grundmasse während einer ausreichend lanzen Zeit, um den Carbid-bildenden Bestandteil zu veranlassen, durch die Grundiaasse zu der Grenzfläche zxtfischen dem kohlenstoffhaltigen Material und der Grundmasse zu diffundieren und mit* dem kohlenstoffhaltigen Material unter Ausbildung einer verbindenden Carbid-Schicht zwischen der Gründmasse und dem kohlenstoffhaltigen Material zu reagieren.

h einen Gegenstand der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbamdartikels das Formieren einer Hetall-Grundmasse aus einer I-letallpulver-Mischung, welche einen geeigneten, Carbid-bildenden Bestandteil, wie nachstehend erläutert, einschließt, das Formieren der Mischung zu einem grünen Kunsterzeugnis, Härten des grünen Kunsterzeugnisses zur Herstellung eines gehärteten Kunsterzeugnisses, das In-Berührung-3ringen des gehärteten Kunsterzeugnisses mit einem kohlenstoffhaltigen Material und Erhitzen des gehärteten KunsterZeugnisses auf eine vorher bestimmte Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Grund-

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masse während einer ausreichend langen Zeit, um den Carbidbildenden Bestandteil der Grundmasse zu veranlassen, durch die Grundmasse zur Grenzschicht zwischen dem kohlenstoffhaltigen Material und der Grundmasse zu diffundieren und

verb indenden/

mit dem kohlenstoffhaltigen Material unter Ausbildung einer Carbid-Schicht zwischen der Grundmasse unddern kohlenstoffhaltigen Material zu reagieren.

Gemäß einem anderen Gegenstand der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundartikels das Formieren einer Grundmasse aus einer gepulverten Mischung, welche kohlenstoffhaltiges Material und einen sinterfähigen, Carbid-bildenden Bestandteil, wie nachstehend definiert, enthält, das Pormieren der Mischung zu einem grünen Kunsterzeugnis, Härten des grünen Kunsterzeugnisses, und Erwärmen auf eine vorher bestimmte 'Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes gehärteten Kunsterzeugnisses xtfährend einer ausreichend langen Zeit, um den Carbid-bildenden Bestandteil ψ der Grundmasse zu veranlassen, durch die Grundrnasse zu der

Grenzschicht zwischen dem kohlenstoffhaltigen Material und der Grundmasse zu diffundieren und mit dem kohlenstoffhaltigen Material unter Ausbildung einer verbindenden Carbid-Schicht zwischen der Grundmasse und dem kohlenstoffhaltigen Material zu reagieren.

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Das kohlenstoffhaltige Material kann ein Schleif-Material, wie z.B. Diamant-Teilchen oder feuerfeste Metall-Carbide sein oder es kann in Form von Kohle-Pasern vorliegen.

Vorzugsweise kann die Grundmasse aus einer Legierung auf Kupferbasis, einer Legierung auf Aluminiumbasis, oder einer Legierung auf Zinnbasis gebildet vorliegen und die geeigneten, Carbid-bildenden Bestandteile der Legierung können beispielsweise eines der nachstehenden Metalle sein, nämlich Titan, Vanadin, Chrom, Hafnium,"Hangan- oder Eisen.

Unter einem ''geeigneten, Carbid-bildenden Bestandteil" ist eines oder mehrere Elemente und/oder eine Legierung derartiger Elemente zu verstehen, welche, während sie mit dem Grundmassen-vlaterial verträglich sind, mit dem kohlenstoffhaltigen Material bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der Grundmasse unter Ausbildung eines Carbides reagieren, das in der Umgebung, in welcher das fertiggestellte Lindprodukt verwendet werden soll, stabil ist. Wenn beispielsweise das Endprodukt eine Diamantschleifscheibe ist, welche !■dt. einem Kühlmittel auf Wasserbasis verwendet wird, dann sollte die zwischen Diamant und der Grundmasse ausgebildete Carbid-Schicht in V/asser unlöslich sein^ mit anderen Worten gesagt, sollte die Carbid-Bindeschicht sich während der Verwendung des Produktes nicht in ihre Bestandteile auflösen.

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Es wurde gefunden, daß in dieser Hinsieht AIrC,, CaC_? und Scandium-Carbide für die Bindung von Diamanten an Metall-Grundmassen ungeeignet sind, wenn diese mit einem KühlmiV. ~;1 auf Wasserbasis verwendet nrerden, da diese Carbide in Wasser löslich sind.

Der Ausdruck "geeignete Garbid-Bildner" soll so zu verstehen sein, daß Carbid-Bildner ausgeschlossen sind, welche mit den in die Grundmasse bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der Grundmasse zu inkorporierenden kohlenstoffhaltigen Material nicht reagieren und welche nicht durch die Grundmasse zu den Grenzschichten zwischen der Grundmasse und dem kohlenstoffhaltigen Material unter Ausbildung einer verbindenden Carbid-Sehicht diffundieren.

Gemäß einem anderen Gegenstand der vorliegenden Erfindung; wird ein Artikel geschaffen, welcher in Übereinstimmung mit einem der Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung erzeugt wird*

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Versuche beschrieben.

In dem ersten Versuch wurde eine Grundmasse aus einer Legierung auf Kupferbasis, welche 1,0 Gew.-% Chrom enthielt,

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aufgebaut, bine Oberfläche der so gebildeten Grundmasse wurde wit Diamant-Teilchen von etwa 7 bis 15 Mikron Partikelgröße in Berührung gebracht, die Grundmasse auf 900 bis 1000⁰C

— 4 16 Stunden lang unter Vakuum bei einem Druck von 10 bis

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10 " Torr erhitzt und die Diamanten in die Grundmasse eingepreßt. Die Wanderung des Chrom-Gehaltes der Legierung zur Grenzfläche zwischen der Grundmasse und den Diamant-Teilchen führte zur Ausbildung einer gut haftenden, verbindenden Carbid-Schicht von einigen wenigen Mikron Dicke.

Zur Peststellung der Geschwindigkeit des Wachsens der verbindenden Carbid-Schicht zwischen der Grundmasse und dem kohlenstoffhaltigen Material wurden zahlreiche Wärmebehandlungen an einer Anzahl von verschiedenartigen Prüflingen aus ausgewählten Legierungen durchgeführt. Zum Beispiel wurde eine Anzahl von Grundmassen aus Legierungen auf Kupferbasis, welche einen Gehalt von 1 Gew.-% Chrom aufwiesen, formiert. Jede Grundmasse wurde mit glasartigem Kohlenstoff anstelle von Diamanten in Berührung gebracht und auf 95O°C erhitzt. Diese Temperatur wurde für die verschiedenen Prüflinge verschieden lange Zeiträume aufrechterhalten. Die Prüflinge wurden quer zerteilt und die Dicke der Carbid-Schicht zwischen dem glasartigen Kohlenstoff und der Grundmasse gemessen. Die nachstehende Tabelle zeigt einige der unter Verwendung einer Grundmasse aus einer nicht-eisenhaltigen xvupferlegierung mit einem Gehalt von 1% Chrom erhaltenen Ergebnisse. 10 9848/1290

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Tab eile

Zeit In Tagen Dicke der Carbid-Schicht

bei 95O°C in μ m

10 4,0

21 6,3

30 8,0

42 . · 9,0

Aus den vorstehenden Versuchen, welche die Bindung von Legierungen auf Kupferbasis an glasartigem Kohlenstoff betreffen, läßt sich vernünftigerweise erwarten, daß ähnliche Ergebnisse erhalten werden, wenn man Diamanten oder Kohlefasern anstelle von glasartigem Kohlenstoff einsetzt, vorausgesetzt, daß die Grundmasse auf eine Temperatur unterhall) des Schmelzpunktes der Grundmasse während einer ausreichend langen Zeit erhitzt wird, um es zu ermöglichen₅ daß das Carbid~bilden.de Element in der Grundmasse durch die Grundmasse diffundiert und mit dem kohlenstoffhaltigen "aterial reagiert.

Da die vorliegende Erfindunj auf der Uänderung eines sinterfähigen Carbid-Bildners zur Bildung einer C arb ids cn ic at zur Verbindung der Diamanten mit der Grundiaasse beruht, kann es.

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wenn die Größe oder die Anzahl der Diamant-Teilchen geändert wird, notwendig sein, die Menge des Carbid-Bildners in der Grundmasse zu verändern. So kann es zum Beispiel erforderlich sein, die Menge eines geeigneten, Carbid-bildenden Bestandteiles zu erhöhen, wenn die Größe des gesamten Qberflächenbereiches der Diamant-Teilchen .durch Erhöhung der Anzahl oder der Größe der Diamanten erhöht wurde, um ausreichend Carbid-Bildner für eine Wanderung zur Grenzschicht zwischen Diamant ■und Grundmasse sicherzustellen. Eine Verminderung in der Größe oder der Anzahl der Diamant-Teilchen kann eine Verminderung in der Menge der Carbid-Bildner in der Grundmasse notwendig machen. In ähnlicher Weise kann durch Variieren der Diffusionsgeschwindigkeit des Carbid-Bildners durch die Grundmasse die Zeit, während welcher die Grundmasse erhitzt wird, urn die Diffusion des Carbids durch die Grundmasse zu gestatten, eine ähnliche "Anordnung" möglich sein, um verschiedenartige Größen oder eine verschiedenartige Anzahl der Diamanten in Betracht zu ziehen.

Die Zeiten, während welcher die Grundmasse zur Herbeiführung einer Diffusion des Carbid-Bildners durch die Grundmasse erhi^tzt wird, sind von Bedeutung und sie werden durch solche Parameter wie der Grenzflächenbereich, die Konzentration des Carbid-Bildners in der Grundmasse und die Temperatur der Wärmebehandlung bestimmt. Es wird angenommen, daß die Be-

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'ziehung zwischen diesen Parametern durch eine modifizierte Lifshitz^Wagner-Glei.churig wiedergegeben werden kann, nämlich durch die nachstehende Beziehung:

A.= C · ■-£- e"^B/T

worin A eine Konstante darstellt, die in Beziehung zur kritischen Dicke der Carbid-Bindeschicht steht,

C die Konzentration des Carbid-Bildners in der Grundmasse,

t die Zeit, '

T"die Temperatur und - · ■ .

B eine Konstante bedeutet.

Es wird angenommen, daß» die brauchbare maximale Konzentration eines geeigneten Carbid-bildenden Elementes in der Grundmasse annähernd seiner Löslichkeit in festem Zustand im Gleichgewicht in dem Grundmassen-Metall gleich sein wird.

Beim Binden von Diamanten in verschiedene Grundmassen wird es vorgezogen, die Wärmebehandlungen in einer neutralen Umgebung durchzuführen, z.B. in Argon (bei einem Druck von etwa 10 ToPr) oder in Kohlenoxyd oder in Kohlendioxyd. Oxydierende Atmosphären werden den Diamant abbauen und karburierende Atmosphären wefcden mit dem Diamanten um den

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Carbid-bildenden Bestandteil konkurrieren. Darüber hinaus werden öle besten Ergebnisse "bei Temperaturen erzielt, bei vxelchen eine Graphitisierung des Diamanten nur minimal ist.

Außerdem sollte, wenn das in die Grundmasse zu inkorporierende, kohlenstoffhaltige Material ein feuerfestes Metallcarbid, z.B. ^itancarbid, oder Wolframcarbid oder dergleichen, ist, dann uer Carbid-bildende Bestandteil der Grundmasse mit dem Grundinas sen-i-laterial verträglich und vorzugsweise mit dem feuerfesten :';etallcarbid reaktiver sein, als mit der Legierung, vrelche die Grün dn as se bildet. Uenn eine derartige Legierung auf eine Temperatur unterhalb ihres Schmelzpunktes während einer ausreichend langen Zeit erhitzt xtfird, erfolgt Wanderung des Carbid-bildenden Bestandteiles in der Grundmasse zu der Grenzfläche zwischen der Grundmasse und den¹, feuerfesten I-letallcarbicl, und es wird zwischen der Grundmasse und dem feuerfesten iletallcarbid eine verbindende Carbid-Schicht ausgebildet werden. ■

ϊ,3 ist selbstverständlich, daß die Grundmasse aus Metallen hergestellt sein-kann, welche mit kohlenstoffhaltigen Materialien nicht reagieren, d.h., mit Metallen wie Kupfer, Blei und Zinn, und ebenso aus .letallen, wie Aluminium, welche mit kohlenstoffhaltigen Materialien reagieren, jedoch bei Temperaturen unterhalb· des Schmelzpunktes der Legierung nicht

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sehr stark, wobei diese Metalle mit einem oder mehr Elementen legiert und mit der Grundmasse verträglich sind, welche leicht mit dem kohlenstoffhaltigen Material reagieren wird, um eine Bindung des kohlenstoffhaltigen Materials mit der Grundmasse nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zu bewirken.

Es wurde gefunden, daß wegen ihrer ähnlichen Eigenschaften neben den Carbid-bildenden Metallen Titan, Vanadin und Hafnium auch beispielsweise Scandium, Calcium, Mangan und Eisen geeignete Carbid-Bildner sind, welche ebenso zur vierten Periode des periodischen Systems der Elemente gehören. Jedoch sind Scandiumcarbid und CaC in -Wasser löslich und beispielsweise für das Binden von Diamanten in Schleifscheiben, welche mit Kühlmitteln auf Wasserbasis oder in feuchter Atmosphäre betrieben werden, nicht geeignet.

Ein weiteres Material, mit welchem Diamant-Teilchen über ein Pestzustand-Verfahren verbunden wurden, ist rostfreier Stahl'(d.h. eine Legierung auf Eisenbasis mit einem Gehalt an Wickel und Chrom).

Die vorliegende Erfindung kann vorteilhaft zur Inkorporierung von Kohlefasern in eine Metall-Grundmasse durch Verteilen der Kohlefaser über eine gepulverte Mischung des Grundmassen-Materials entweder-als endloses Kabel oder als geschnittene

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Paser und Sintern der gepulverten Mischung zur Herstellung eines gehärteten Kunsterzeugnisses, enthaltend die verteilten Kohlefasernj verwendet werden. Die vorliegende Erfindung verbessert in hohem Maße die Bindung der Kohlefasern mit dem Grundmassen-Material, Durch Einbeziehen eines geeigneten Carbid-bildenden Bestandteiles, der vorteilhaft mit den Kohlefasern unter Bildung einer haftenden, verbindenden Carbid-Schicht reagieren wird, in die gepulverte Mischung, kann eine feste, verbindende Carbid-Schicht an der Grenzfläche der ^esintere\tn Grundmasse und der Kohlenfaser ausgebildet werden. -

2s versteht sich von selbst, daß die Erfindung nicht auf die vorhergehenden Beispiele beschränkt sein soll und daß gewünscht enf alls die Carbid-bildenden Bestandteile in die i-letall-Grundmasse durch ein Ionen-Implantat ions verfahren oder durch ein Zerstäubungsverfahren- implantiert werden können.

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BAD ORiGINAL

Claims

P atentansp rüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundartikels', dadurch gekennzeichnet j daß man eine I-ietall-Grundmasse ., weiche" einen geeigneten Carbid-bildenden Bestandteil wie vorstehend definiert, umfaßt,, mit einem in die Grundmasse zu inkorporierenden., kohlenstoffhaltigen Material in Berührung briri£t und auf eine vorherb es timmt.e l'emperatur unterhalb des Gclinelz- _ punktes der Grundmasse während einer ausreichenden Zeitdauer

erhitzt, um den Carbid-bildenden Bestandteil zu veranlassen, durch die Grundmasse zu der Grenzfläche zwischen dem kohlenstoffnaltigen Material und der Grundmasse zu diffundieren und mit dem kohlenstoffhaltigen Haterial unter Bildung einer verbindenden Carbid-Schicht zwischen der Grundmasse und dem kohlenstoffhaltigen Material zu reagieren.

2. Verfahren zur Herstellung eines Verbundartikels ₃ dadurch gekennzeichnet ₃ dal?; man ein !'etall-Pulver., T-relches einen geeigneten Carbid-bildenden Bestandteil wie vorstehend definiert, enthält, zu einem grünen Kunsterzeugnis formiert₅ das grüne Kunsterzeugnis zur Herstellung eines gehärteten Kunsterzeugnisses härtet, das gehärtete Kunsterzeugnis nit einem, "in das gehärtete Kunsterzeugnis zu inkorporierende kohlenstoffhaltige Material in Berührung bringt, "und dasgehärtete Kunsterzeugnis auf eine vorbestimate Temperatur .

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unterhalb des Schmelzpunktes, der Grundmasse während einer ausreichend lanzen Zeit erhitzt_s um den Carbid-bildenden E^es tandteil zu veranlassen, durch die Grundrisse zu der Grenzfläche zwischen dem kohlenstoffhaltigen Material und eier Grundraasse" unter Ausbildung einer verbindenden Carbid-Schicht zwischen der Grundraasse und dem kohlenstoffhaltigen Material zu diffundieren.

3. Verfahren zur Herstellung eines Verbundartikels, dadurch gekennzeichnet ₃ daß man ein Metall-Pulver, welches einen geeigneten Carbid-bildenden Bestandteil wie vorstehend definiert und ein kohlenstoffhaltiges Material enthält, zu einem grünen Kunsterzeugnis formiert, das grüne Kunsterzeugnis härtet und auf eine vorherbestimmte Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des gehärteten Kunsterzeugnisse^" während einer ausreichend langen Zeit erhitzt, um den Carbid-bildenden Bestandteil der Grundmasse zu veranlassen, mit dem kohlenstoffhaltigen Material zur Ausbildung einer verbindenden Carbid-Schicht zwischen der Grundmasse und dem kohlenstoffhaltigen I-Iaterial zu reagieren.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das kohlenstoffhaltige Material Diamant-Teilchensind.

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5. Verfahren nach einem der" Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß das kohlenstoffhaltige Material ein feuerfestes Metallcarbid ist.

6. Verfahren nach .einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das kohlenstoffhaltige Material Kohlefasern sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmasse-Waterial eine Legierung eines Michteisennetalles und der geeignete Carbid-Bildner wie vorstehend definiert ist.

8. Artikel, hergestellt in Übereinstimmung mit irgendeinem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7·

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