DE2707299C2 - - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung sind Zusammensetzungen gemäß Patentanspruch 1. Diese Zusammensetzungen sind unter anderem brauchbar für Verbundstoffe aus einer Grundstruktur aus Siliciumcarbid und einer zusammenhängenden Schicht aus einer solchen zerspanbaren Zusammensetzung.

In der US-PS 28 87 393 ist ein Verfahren zum Herstellen gebundener Bornitrid-Gegenstände beschrieben, bei dem eine Mischung aus Bornitridteilchen und 5 bis 70 Gew.-% fein zerteiltem Silicium zu einem Gegenstand der gewünschten Gestalt geformt und anschließend in einer Atmosphäre von Kohlenmonoxid auf eine Temperatur erhitzt wird, die ausreicht, das Kohlenmonoxid mit dem Silicium unter Bildung von Siliciumcarbid umzusetzen und dadurch die Bornitridteilchen miteinander zu verbinden. Durch die Einführung des Kohlenmonoxids gelangt automatisch auch Sauerstoff in das System, der bei den erhöhten Temperaturen rasch mit Silicium unter Bildung von Siliciumoxiden reagieren kann. Außerdem erfolgt die Umsetzung des Kohlenmonoxids mit dem Silicium nach der US-PS 28 87 393 vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 1200 bis 1300° C, um die Bildung von Siliciumnitrid aus unvermeidlich anwesendem Stickstoff möglichst zurückzudrängen. Trotzdem kann sich Siliciumnitrid bilden.

Die vorliegende Erfindung geht aus von Matrixverbundstoffen aus Silicium/Siliciumcarbid, erhalten durch Infiltration von Kohlenstoffasern mit geschmolzenem Silicum. Obwohl die dabei erhaltenen Matrixmaterialien aus Siliciumcarbid/Silicium einen merklichen Fortschritt bei der Herstellung hochleistungsfähiger Formkeramiken bedeuteten, erwies sich in vielen Fällen die Schlagbeständigkeit der Keramikformstrukturen als nicht ausreichend hoch, um sie für verschiedene Einsatzmöglichkeiten geeignet zu machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zerspanbare Zusammensetzungen durch Infiltration von geschmolzenem Silicium zu schaffen, die eine höhere Schlagfestigkeit aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch den eingangs genannten Gegenstand der Erfindung gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Im einzelnen zeigt

die Figur eine Form, die mit einer Mischung aus Kohlenstoffteilchen und einem teilchenförmigen Bornitrid gefüllt ist, und oberhalb der Form befindet sich Siliciumpulver oder Siliciumgranulat im Kontakt mit Kohlenstoffaserdochten, das eine Quelle für das geschmolzene Silicium bildet, um die Mischung aus Kohlenstoffteilchen und teilchenförmigem Bornitrid zu infiltrieren.

Gemäß der in der Figur dargestellten Ausführungsform werden zerspanbare Zusammensetzungen geschaffen, die eine Dichte von 1,6 bis 2,7 g/cm³ aufweisen und die durch Infiltration erhaltenen Reaktionsprodukte aus geschmolzenem Silicium und einer im wesentlichen gleichmäßigen Mischung sind, wobei die Mischung aus folgenden Bestandteilen in Vol.-% besteht:

• (A) 45 bis 90 teilchenförmigen Kohlenstoffes mit bis zu einem gleichen Volumenanteil, bezogen auf das Volumen von (A), von Siliciumcarbid-Teilchen und
• (B) 10 bis 55 eines teilchenförmigen Bornitrids, das gegenüber geschmolzenem Silicium bei Temperaturen bis zu 1600° C im wesentlichen inert ist, eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,1 bis 2000 µm und eine Mohs-Härte von 1 bis 7 hat.

Die zerspanbaren Zusammensetzungen können von Anfang an zu irgendeiner erwünschten Konfiguration geformt werden oder man kann sie nachträglich auf geeignete Weise zurechtschneiden. Diese relativ leichten Siliciumcarbid-haltigen Materialien, die durch Infiltration von geschmolzenem Silicium in die Kohlenstoffteilchen enthaltende Mischung entstanden sind, können durch Zerschneiden mit einer Stahlsäge, Bohren, Schmirgeln, Feilen usw. in jede gewünschte Form gebracht werden.

Zusätzlich zu den vorbeschriebenen Einsatzzwecken können die zerspanbaren Zusammensetzungen nach der vorliegenden Erfindung in Dicken von 0,25 mm bis 25 mm oder mehr geschnitten und als Barrieren mit thermischem Gradienten auf verschiedenen Substraten benutzt werden, auf denen die Befestigung durch mechanisches Einführen, Verbolzen usw. erfolgen kann, wie in Diffusoren, Übergangsstücken usw. Andere Verwendungsmöglichkeiten der zerspanbaren Zusammensetzungen sind z. B. für Formen zum Metallgießen, als Bestandteile von Gasbrennern, Werkzeuge, Schleifoberflächenplatten und Hochtemperaturbefestigungen.

Die Arten teilchenförmigen Kohlenstoffes, die zur Herstellung der zerspanbaren Zusammensetzungen nach der vorliegenden Erfindung oder der zusammenhängenden Schichten aus den Verbundkörpern eingesetzt werden können, sind Kohlenstoff- oder Graphitfasern, carbonisierte Pflanzenfasern, Lampenruß, fein zerteilte Kohle, Holz, Holzkohle usw. Das zusammen mit den Kohlenstoffteilchen einsetzbare teilchenförmige anorganische Material ist hexagonales Bornitrid, und zwar mit einer durchschnittlichen Aggregatsgröße von 1 bis 2000 µm. Die einzelnen Kristallite oder Unterteilchen, welche die Aggregate bilden, können natürlich beträchtlich kleiner sein.

Die zerspanbaren Zusammensetzungen nach der vorliegenden Erfindung können auch das Reaktionsprodukt von geschmolzenem Silicium und der Mischung aus Kohlenstoff- oder Graphitfasern oder deren Mischungen und des oben beschriebenen anorganischen Materials einschließen, wobei die Mischung auch bis zu 50 Vol.-% anderer Füllstoffe umfassen kann, wie Siliciumcarbidfasern oder andere Teilchenformen des Siliciumcarbids. Die Mischung aus Kohlenstoffaser und Bornitrid kann in der Form entweder als freifließendes Pulver oder als ein starrer Vorformling vorhanden sein, der durch Vermischen des anorganischen Materials mit einem Bindemittel für Graphit- oder Kohlenstoffasern, wie handelsüblichen Graphitsuspensionen, hergestellt werden. Aus der Kohlenstoffaser und Bornitrid enthaltenden Mischung werden Formkörper mit verbesserter Schlagfestigkeit und Abriebsbeständigkeit hergestellt.

In der Figur ist die Vorrichtung zum Herstellen der zerspanbaren Zusammensetzungen nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Man sieht eine Seitenansicht eines Formträgers 10 und eine pulverförmige Siliciummenge 11. Die Infiltration des geschmolzenen Siliciums in die Mischung aus teilchenförmigem Kohlenstoff und teilchenförmigem Bornitrid 13 erfolgt bei Temperaturen von 1400 bis 1700° C durch Dochte 12, die aus Kohlenstoffasern bestehen können mit typischen Längen von 3 cm. Bei 14 und 15 sind Öffnungen zum Entweichen des heißen Gases vorgesehen, um den Aufbau von Druck in der Form zu vermeiden.

Das Schmelzen des pulverisierten Siliciums kann durch Einstellen der Vorrichtung der Figur in einen geeigneten Ofen erfolgen. Wenn erwünscht, können Heizspulen um das pulverisierte Silicium gelegt werden. Ein Entformungsmittel, wie Bornitrid, kann auf die Innenwände der Form aufgesprüht werden.

Der Begriff "Kohlenstoffasern", wie er in der vorliegenden Anmeldung gebraucht wird, schließt die oben definierten handelsüblichen Kohlenstoffasern ein. Die Kohlenstoffaser schließt z. B. hochfestes Graphit mit einer typischen Zugfestigkeit von etwa 1760 N/mm², einen Modul von 14 × 10⁴ N/mm² und einer carbonisierten Dichte von 1,6 g/cm³ ein, wie in der US-PS 34 12 062 beschrieben. Vorzugsweise hat die Kohlenstoffaser eine spezifische Dichte von 1,3 bis 1,5 g/cm³ und schließt Produkte ein, wie carbonisierte Fasern oder Kohlenstoffilz. Zusätzlich zu carbonisierten Rayonfasern können irgendwelche anderen Kohlenstoffasern mit einer spezifischen Dichte wie oben angegeben verwendet werden, die von Polymeren oder natürlichen organischen Verbindungen abgeleitet sind, wie Polyarylnitril, Polyacetylen, wie in der US-PS 38 52 235 beschrieben, oder aus Polyvinylchlorid, Polyvinylacetat usw. Der Begriff "Vorformling", wie er in der vorliegenden Anmeldung benutzt wird, bezeichnet vorzugsweise eine geformte Struktur orientierter Kohlenstoffasern, wie ein vorimprägniertes Material. Um einen Vorformling herzustellen, wird ein Kohlenstoffaser-Kabel, -Litze oder -Gewebe mit geschmolzenem Wachs oder irgendeinem anderen Binder behandelt, wie Zellulosenitrat, kolloidalem Graphit usw.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert. In diesem Beispiel sind alle Teile Gewichtsteile, wenn nichts anderes angegeben ist.

Beispiel 1

Eine Mischung aus 25 Gew.-% oder 20 Vol.-% handelsüblichem Bornitrid und 75 Gew.-% oder 80 Vol.-% einer handelsüblichen Graphitsuspension wurde zu einer dicken Paste vermischt. Die Paste wurde auf ein flaches Rechteck mit einer Dicke von etwa 3 mm aufgebracht und an der Luft trocknen gelassen.

Aus handelsüblichem Graphit mit einer anfänglichen Dicke von etwa 18 mm wurde eine Form durch Zerspanen hergestellt, indem man einen Hohlraum in der Form von etwa 3 × 3 × 75 mm herstellte. Die Innenseite des Hohlraumes in der Form wurde danach mit einem Bornitrid-Aerosol überzogen. Die obige Mischung aus Bornitrid und Graphit wurde dann zu der erforderlichen Größe geschnitten und in die Form eingeführt. Ein Kohlenstofftiegel mit einem Innendurchmesser von etwa 31 mm und einer Höhe von etwa 50 mm mit einem etwa 3 mm Durchmesser aufweisenden Loch, das in den Boden eingebohrt war und einem Docht aus Kohlenstoffasern, der sich durch das Loch erstreckte, wurde auf der Form oben angeordnet. Der Kohlenstoffaserdocht erstreckte sich für etwa 3 mm über das Obere des Loches heraus und berührte auch die vorbeschriebene Mischung in der Form. Der Tiegel wurde dann mit festen Siliciumstücken gefüllt, wobei man etwa 15% mehr Silicium verwendete, als zur Füllung des Formhohlraumes im geschmolzenen Zustand erforderlich war. Das Ganze wurde in einen Widerstandsofen überführt, in dem ein Vakuum von 1,33 Pa eingestellt wurde. Man erhitzte das Ganze auf etwa 1600° C. Dabei wurde festgestellt, daß die Mischung in der Form unmittelbar mit dem geschmolzenen Silicium reagierte. Nach dem Erreichen der 1600° C wurde das Ganze noch etwa 15 Minuten im Ofen belassen. Dann ließ man sich die Form abkühlen und nahm das erhaltene Teil aus der Form heraus. Man erhielt einen Körper mit den gleichen Abmessungen wie die ursprüngliche Mischung aus Bornitrid und Graphit.

Nach dem Herstellungsverfahren war das Teil das durch Infiltration erhaltene Reaktionsprodukt von geschmolzenem Silicium und einer Mischung aus 25 Gew.-% Bornitrid und 75 Gew.-% Graphit. Die Dichte des Körpers betrug 2,1 g/cm³. Dann klemmte man den Körper in eine Schraubstockklemme und schnitt mit einer Stahlsäge einen Probekörper von etwa 3 × 37 × 3 mm. Es wurde festgestellt, daß der Körper leicht zerspanbar war und der übrige Teil des Körpers konnte leicht mit einer Stahlfeile ausgefeilt werden.

Claims (2)

1. Zerspanbare Zusammensetzungen mit einer Dichte von 1,6 bis 2,7 g/cm³, welche die unter Vakuum und bei einer Temperatur von 1400° C bis 1700° C durch Infiltration erhaltenen Reaktionsprodukte von geschmolzenem Silizium und einer im wesentlichen gleichförmigen Mischung sind, die im wesentlichen aus den folgenden Bestandteilen in Vol.-% besteht:

• (A) 45 bis 90 teilchenförmigen Kohlenstoffes mit bis zu einem gleichen Volumenanteil, bezogen auf das Volumen von (A), aus Siliziumcarbid-Teilchen und
• (B) 10 bis 55 hexagonalen Bornitrids mit einer durchschnittlichen Teilchengröße im Bereich von 0,1-2000 µm,

2. Zerspanbare Zusammensetzungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der teilchenförmige Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffasern vorliegt.