DE2627151A1

DE2627151A1 - Verfahren zur herstellung von metall mit im wesentlichen gleichfoermiger dispersion harter fuellerteilchen

Info

Publication number: DE2627151A1
Application number: DE19762627151
Authority: DE
Inventors: Sanford Baranow
Original assignee: Special Metals Corp
Current assignee: Special Metals Corp
Priority date: 1975-06-16
Filing date: 1976-06-16
Publication date: 1977-01-13
Also published as: SE7606879L; BE843030A; FR2314945B1; CA1069350A; DE2627151C2; FR2314945A1; JPS5220910A; CH604982A5; NL7606506A; US4010024A; IT1064124B

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

DIPL-ING

H. KINKELDEY L· O Z / I O I _w STOCKMAlR

DR-(NC-AeE(CALTEOf

K. SCHUMANN

P. H. JAKOB

DtPL-ING

G. BEZQLD

8 MÜNCHEN 22

MAXIMlLlANSTFiASSS 43

567 16. Juni 1976

Special Metals Corporation

Middle Settlement Road, New Hartford,

Hew York 134-13 / USA

Verfahren zur Herstellung von Metall mit im wesentlichen gleichförmiger Dispersion
harter Füllerteilchen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metall mit einer im wesentlichen gleichförmigen Dispersion von harten Füllerteilchen.

Verfahren zur Herstellung von oxidverstärkten Metallpulvern sind bereits bekannt. So sind aus den US-Patentschriften 4-58 306 und 3 525 4-98 Herstellungsverfahren bekannt, die auf einem chemischen Vorgang beruhen, während beispielsweise der US-Patentschrift 3 591 362 ein auf mechanischen Vorgängen beruhendes Verfahren zu entnehmen ist.

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Das in der letztgenannten US-Patentschrift beschriebene "mechanische" Verfahren sieht ein Vermischen des Metallpulvers mit Oxidteilchen und ein anschließendes Vermählen dieser Mischung vor. Außerdem ist in der US-Patentschrift 3 591 362 ein Verfahren beschrieben, mit dessen Hilfe sich ein Metall herstellen läßt, welches eine im wesentlichen gleichmäßige Dispersion von Oxidteilchen "besitzt. Der genannten Patentschrift ist jedoch kein wirksames Verfahren zum Erreichen des genannten Endergebnisses zu entnehmen. Da sich die Teilchengröße während des Vermahlens vergrößert, ist ein langerzeitiges Vermählen erforderlich.

Als bei dem bekannten Verfahren nach der US-Patentschrift 3 591 362 besonders nachteilig anzusehen sind die langen für ein geeignetes Vermählen benötigten Zeiträume und die relativ großen Teilchengrößen der mit Hilfe des bekannten Verfahrens hergestellten Pulvergemische.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, welches das Herstellen eines besseren oxidverstärkten Metallpulvers innerhalb kürzerer Zeiträume gestattet.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein sogenanntes mechanisches Verfahren zur Herstellung von oxidverstärkten Metallpulvern, welches sich durch einen besonders wirksamen Vermahlungsvorgang auszeichnet, der ein Vermählen in einer Atmosphäre vorsieht, welche hinreichend Sauerstoff enthält, um ein Verschweißen einzelner Teilchen des Hetallpulvers zu verhindern. Das hat zur Folge, daß die zum Erreichen eines geeigneten Vermahlungszustandes benötigte Zeitdauer gegenüber dem bekannten Verfahren beachtlich verkürzt ist. Ferner besitzen die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Pulver

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eine 3?isher~Zahl von nicht mehr als 15₅ wohingegen das nach der US-Patentschrift 3 591 362 hergestellte Pulver eine "beträchtlich größere Teilchengröße besitzt.

Erfindungsgemäß wird Metallpulver mit Oxydteilchen vermischt, welche hei 1OQO⁰C eine negative freie Bildungsenergie "besitzen, welche wenigstens so groß ist wie diejenige von Aluminiumoxid. Anschließend wird die Mischung während eines Zeitraumes vermählen, der ausreichend lang ist, um eine im wesentlichen gleichförmige Dispersion der Oxydteilchen in dem Metallpulver zu gewährleisten. Das Vermählen oder Durchmischen wird in einer Atmosphäre ausgeführt, die hinreichende Sauerstoffgehalte besitzt, um ein Verschweißen von Metallpulverteilchen miteinander im wesentlichen zu verhindern. Nach dem Vermählen besitzt das derart hergestellte dispersionverstärkte Metallpulver eine Fisher-Zahl von weniger als 15· Im allgemeinen werden Eisher-Zahlen von weniger als 10 und meist sogar von weniger als 8 erzielt. Im Anschluß an das Vermählen wird das Pulver wärmebehandelt, um überschüssigen Sauerstoff zu entfernen. Die Wärmebehandlung wird im allgemeinen in einer reduzierenden Atmosphäre, wie in Wasserstoff, ausgeführt.

Um ein Verschweißen während des Vermähl ens zu verhindern, muß Sauerstoff in einer Menge vorhanden sein, die größer ist als das beim Vermählen der Pulver an offener Luft häufig vorhandene Sauerstoffangebot. So muß Sauerstoff insbesondere in einer Menge vorhanden sein, die ausreicht, um einzelne Pulverteilchen zu oxidieren, um so eine Pulver-Agglomerierung zu verhindern. Zur Erzielung eines derartigen Sauerstoffangebotes wird Sauerstoff von einem gasförmigen Vorrat, wie in Form von Luft oder von Wasserdampf, oder auch mit Hilfe einer sauerstoff haltigen Verbindung, wie Ammoniumcarbonat oder Ammoniumbicarbonat, zugeführt. Die in der Mahlvorrichtung er-

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zeugte Wärme verursacht den Zerfall der sauerstoffhaltigen Verbindung, so daß Sauerstoff freigesetzt wird.

Dadurch, daß ein Verschweißen einzelner Pulverteilchen verhindert wird, führt das erfindungsgemäße Verfahren zu "besseren Ergehnissen als das Verfahren nach der "bereits genannten US-Patentschrift 3 591 362. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine kürzere Zeitdauer erforderlich, um eine gleichmäßige Dispersion von Oxidteilchen in Metallpulvern geringer Teilchengröße zu erzielen. Diese Zeitdauer ist kurzer als bei Verarbeitung von Metallpulverteilchen, die während eines Agglomerierungs und -disintegrationsvorganges gebildet werden.Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine kleine Teilchengröße aufrechterhalten wird, zeichnet sich das erfindungsgemäß hergestellte Metallpulver in Vergleich zu dem Pulver nach der US-Patentschrift 3 591 362 durch ein größeres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aus.

Es kann davon ausgegangen werden, daß jedes beliebige Metallpulver mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens verarbeitet werden kann. Dabei zeigen sich Nickel- und Kobaltpulver, sowie die Pulver aus Legierungen von Uiekel und Kobalt als besonders geeignet. Pulver aus Kupfer und Kupferlegierungen sind gleichfalls gut zu verarbeiten. Legierungszusätze, welche nicht leicht durch Wasserstoff reduzierbar sind, wie Chrom, Aluminium, Titan und Zirkonium, sollten jedoch vorzugsweise nach dem Vermählen zugefügt werden.

Wie bereits erwähnt, müssen die Oxidteilchen eine negative freie Bildungsenergie bei 1000⁰C besitzen, die wenigstens so groß ist, wie diejenige des Aluminiumoxids. Die Oxide des Yttriums und Thoriums sind insbesonders geeignet zur Verwendung mit Pulvern aus Wickel, Kobalt und deren Legierungen. Aluminiumoxid eignet sich zur Verarbeitung gemeinsam mit Pulvern aus

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Kupfer und Kupferlegierungen.

Die auf erfindungsgemäße Weise hergestellten dispersionsverstärkten Metallpulver lassen sich durch jedes "beliebige Verfahren verdichten. Als Beispiele geeigneter Verfahren seien genannt das-Strangpressen, Walzen sowie Frei- und Gesenkschmieden.

Die folgenden Beispiele denen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

13j6 feg Carbonylnickel, 0,22 kg Yüriumoxid und 0,68 kg Ammoniumbicarbonat wurden in eine Zerkleinerungsvorrichtung gefüllt und 8 Stunden lang unter einer Argondecke vermählen. Während des Vermahlens zersetzte sich das Bicarbonat kontinuierlich, was sich durch den Geruch von aus der Zerkleinerungsvorrichtung entweichendem Ammoniak zeigt. Das Pulver wurde aus der Zerkleinerungseinrichtung entnommen und eine frische Charge wurde zugesetzt, worauf das gesamte Verfahren wiederholt wurde. Beide Pulvermengen besaßen eine Fisher-Zahl von etwa 5,5. Die beiden Pulvermengen wurden anschließend miteinander kombiniert und durch einen Durchlaufofen mit einem Durchsatz von 13 ₅6 kg Pulver je Stunde in Wasserstoffatmosphäre geglüht. Die Spitzentemperatur des Ofens betrug 954°C.

Ein kleiner Anteil dieses Pulvers wurde in einen Flußstahl— behälter mit einem Außendurchmesser von 66,7 mm eingefüllt, worauf der Behälter evakuiert, abgedichtet und bei 1121⁰C mit einem Extrusionsverhältnis von 12 : 1 extrudiert wurde. Das extrudierte Material wurde im Gesenk um 70% kalt geschmiedet. Nach 25%iger Verformung betrug die Zugfestigkeit

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5,62 kg/mm "bei 1O93°C, wohingegen nach 70%iger "Verformung die Zugfestigkeit 9,21 kg/mm betrug. Die Proben wurden nach einer einstündigen Glühung bei 1O93°C im Zugversuch geprüft. Für den Fachmann liegen die ermittelten Eigenschaften in einem für das betreffende Material typischen Bereich, wobei darauf hingewiesen sei, daß in vergleichbarer Weise behandeltes reines Nickel bei 1O93°C eine Zugfestigkeit von etwa 2,1 kg/mm besitzt.

Beispiel 2

Etwa 9,1 kg eines aus 76% Chrom und 24% Aluminium bestehenden Legierungspulvers mit einer Teilchengröße von 105/um wurde Stunden lang unter Argon in einer Zerkleinerungsvorrichtung vermählen und nach etwa 30 minütigem Abkühlen ausgetragen. Der Großteil des in Beispiel 1 erzeugten Pulvers wurde mit dem Legierungspulver vermischt und etwa 1 Stunde lang in einem Mischer umgewälzt. Das Pulvergemisch wurde in zwei Partien jeweils 1/2 Stunde lang vermählen und dann vereinigt. Das vereinigte Pulver bestand zu 16% aus Chrom, zu 5 % aus Aluminium, zu 1,2% aus Yifcriumoxid, Rest Nickel. Etwa 31,7 kg des Pulvers wurden in einem Flußstahlbehälter mit einem Außendurchmesser von 196,8 mm auf 50% theoretischer Dichte verpresst. Das Gefäß wurde evakuiert, abgedichtet und bei 1121°C mit einer Flächenverringerung von 15 : 1 extrudiert. Im Anschluß an die bei 1343⁰C herbeigeführte Rekristallisation wurde gefunden, daß sich ein Gefüge mittlerer Korngröße mit einer vorteilhaften Goss-Textur (cube-on-edge texture) ausgebildet hattte. Der Fachmann weiß, daß ein derartiges Gefüge zur Verhinderung einer Hochtemperatur-Werkstoffermüdung erforderlich ist. Die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften in Querrichtung erbrachten bei 1O93°C eine Zugfestigkeit von 7,24 kg/mm und ein Zubruchgehen unter einer Spannung von 3,86 kg/mm nach mehr als 20 Stunden.

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Beispiel 3

i Pulverchargen aus jeweils 8,9 kg Nickel und 0,13 kg Yttriumoxid wurden 4 Stunden lang in einer Atmosphäre aus bewegter Luft in einer Zerkleinerungsvorrichtung vermählen. Das vermahlene Pulver besaß eine Fisher-Zahl von 4,0. Nach dem Mahlen wurden die beiden Pulverchargen vereinigt und mit Hilfe von Wasserstoff in einem Durchlaufofen reduziert, der bei einer Temperatur von 927 C arbeitete. Das reduzierte Pulver wurde sodann gepulvert und mit 21% eines Legierungspulvers vermisJat, welches 76% Chrom und 24-% Aluminium enthielt. Die hergestellte Mischung wurde sodann 1 Stunde lang in zwei Partien unter einem Argonschutz vermählen. Das vermahlene Pulver wurde anschließend in einem IPlußstahlgefäß auf 65% theoretischer Dichte verpresst. Der vorgepresste Behälter wurde sodann evakuiert, abgedichtet und bei 1066 C mit einem Extrusionsverhältnis von 13 * 1 durch eine rechtwinklige Matrize stranggepreßt. Das extrudierte Erzeugnis wurde durch Walzen bei 1010⁰G um 5% verformt und bei 1343°C zur Entwicklung der Rekristallisation wärmebehandelt. Anschließend wurden bei 1O93°C die mechanischen Eigenschaften in Querrichtung ermittelt, wobei eine Lebensdauer unter Spannungsbe-

anspruchung von 4,22 kg/mm von mehr als 20 Stunden ermittelt wurde. In Längsrichtung wurde bei 5?62 kg/mm eine Lebensdauer von mehr als 20 Stunden erzielt.

Zusammenfassend ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Metall, in welchem eine im wesentlichen gleichförmige Dispersion von harten !Füllerteilchen enthalten ist. Das Verfahren umschließt die folgenden Schritte: Metallpulver wird mit Oxidteilchen vermischt, welche eine negative freie BiIdungsenergie bei 1000⁰C besitzen, die wenigstens so. groß ist wie diejenige von Aluminiumoxid. Diese Mischung wird ausreichend lange vermählen, um eine im wesentlichen gleich-

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f örmige Dispersion der Oxidteilchen in dem Metallpulver
zu gewährleisten. Das Vermählen wird in einer Atmosphäre ausgeführt, die ausreichend Sauerstoff enthält, um ein
Verschweißen der Metallpulverteilchen aneinander zu verhindern. Nach dem Vermählen wird das derart hergestellte dispersionsverstärkte Pulver wärmet ehandelt, um überflüssigen Sauerstoff zu entfernen.

Die Erfindung ist nicht auf die genannten Beispiele beschränkt, da diese lediglich zur Erläuterung der Erfindung dienen.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von Metall mit einer darin enthaltenen, im wesentlichen gleichförmigen Dispersion aus harten Füller-Teilchen, dadurch gekennzeic hn e t, daß ein Metallpulver mit Oxidteilchen vermischt wird, welche bei 100O⁰C eine negative freie Bildungsenergie "besitzen, die wenigstens so groß ist wie die von Aluminiumoxid, daß die Mischung in einer sauerstoff haltigen Atmosphäre ausreichend lange vermählen wird, um eine im wesentlichen gleichförmige Dispersion der Oxidteilchen in dem Metallpulver hervorzurufen, wobei das Vermählen in einer Atmosphäre erfolgt, die ausreichend Sauerstoff enthält, um ein Verschweißen von Metallpulverteilchen untereinander im wesentlichen zu verhindern, und daß das derart dispersionsverstarkte Pulver, welches eine Fisher-Zahl von weniger als 15 "besitzt, zwecks Abbau von überschüssigem Sauerstoff einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch geke nn z;e i ohne t, daß als Metallpulver pulverförmiges Nickel, pulverförmiges Kobalt sowie pulverförmigen Legierungen der beiden genannten Elemente verwendet werden.

3. 'Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dispersionsverstarkte Pulver mit einer Fisher-Zahl von wenigstens 10 erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff von einer gasförmigen Quelle herbeigeführt wird.

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5· Verfahren nacli Anspruch. 1, dadurch, gekennzeichnet, daß Sauerstoff durch eine säuerst off haltige "Verbindung augeführt wird, welche mit dem Metallpulver und den Cxidteilchen vermisch.t wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht leicht durch Wasserstoff reduzierteres Metallpulver im Anschluß an das Vermählen mit den Oxidteilchen vermischt wird.

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