DE2838826A1

DE2838826A1 - Verfahren zur bildung von materialzusammensetzungen, die gesinterte teilchen enthalten

Info

Publication number: DE2838826A1
Application number: DE19782838826
Authority: DE
Inventors: Charles Steven Baum
Original assignee: Permanence Corp
Current assignee: Permanence Corp
Priority date: 1977-09-06
Filing date: 1978-09-06
Publication date: 1979-03-15
Also published as: JPS5460311A; GB2003932A; CA1090542A; DE2838826C2; US4140170A; FR2401726A1; GB2003932B; FR2401726B1; JPS6328980B2

Description

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944 Harper Avenue telefon 089-981979

Detroit, Michigan 48211 tbibx 022019

6.September 1978

3P3 1178

Verfahren zur Bildung von Materialzusammensetzungen, die gesinterte Teilchen enthalten

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung von Materialzusammensetzungen, die gesinterte Teilchen enthalten. Es handelt sich dabei beispielsweise um gesinterte Metall- Keramik-Teilchen in einer Metallmatrix, wobei die Teilchen von Zonen umgeben sind, die aus einer Legierung des Matrixmaterials und gelöster Bestandteile der Teilchen bestehen.

Durch die US-PS 4024 902 ist ein Verfahren zur Bildung von Materialzusammensetzungen bekannt, die aus Teilchen eines gesinterten Metall-Keramik-Materials in einer Matrix aus Stahl oder ähnlichen Metallen mit hoher Schmelztemperatur bestehen. Bei diesem Verfahren werden Teilchen des gesinterten Materials in einer Form angeordnet, das Matrixmaterial separat über seinen Schmelzpunkt erhitzt und das geschmolzene Matrixmaterial dann in die Form gegossen und die so erhaltene Masse natürlich abgekühlt und gefestigt. Während der Zeit, in der die geschmolzene Matrix in Kontakt mit den gesinterten Teilchen kommt,werden die Oberflächen der Teilchen durch mechanische Verschlechterung, Diffusion und Lösung der Bestandteile des härteren Materials in der Matrix beeinträchtigt, da das geschmolzene Metall eine höhere Temperatur als die ursprüngliche Sintertemperatur der Teilchen hat. Die Teile der Teilchen an der Grenzschicht mit der heißen Matrix werden entsintert. Die Quantität und die Temperatur des geschmolzenen Matrixmaterials sowie die Temperatur und Geometrie der Form und der Teilchen sind so gewählt, daß alle Teilchen nicht vollständig entsintert und in dem Matrixmaterial gelöst werden, bevor die Masse sich verfestigt, sondern daß die Teilchen eine Größenverringerung ausgehend von ihrer ursprünglichen Größe erfahren, jedoch als Teilchen in der endgültigen Materialzusammensetzung verbleiben. Diese

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Teilchen werden durch Zonen einer Zusammensetzung des Matrixmaterials, kleinere Teilchen und gelöste Bestandteile der Teilchen sowie eine durch die Reaktion erzeugte Legierung umgeben. Bei einer Ausführungsform des bekannten Verfahrens besteht das Hochtemperaturmaterial aus mit Kobalt verbundenem Wolframkarbid und das Matrixmaterial aus einer Stahllegierung. Die erhaltene Materialzusammensetzung ist infolge des Wolframkarbids hart und abnutzungsfest und infolge der Stahlmatrix stabil. Die Diffusionszonen, von denen die Wolframkarbidteilchen in der Materialzusammensetzung umgeben sind, haben eine extreme Härte und doch eine geringere Sprödigkeit als das Wolframkarbid.

Dieses Verfahren hat sich als sehr nützlich bei der Formung verschiedenster Teile erwiesen, jedoch werden durch das Gießverfahren den erzielbaren Formen gewisse Grenzen gesetzt. Beispielsweise ist es extrem schwierig, ohne Präzisionsformen und Druckverfahren wie beispielsweise beim Spritzgußverfahren sehr dünne Abschnitte zu formen. Außerdem ist es schwierig, ohne komplizierte Formen einspringende Konturen herzustellen. Auch ist das Formungsverfahren in einigen Fällen relativ langsam und kostspielig, da für jedes zu formende Teil Einwegformen erforderlich sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zur Herstellung von Materialzusammensetzungen anzugeben, wie sie nach dem bekannten Verfahren herstellbar sind, jedoch dabei die geometrischen Grenzen und die zeitlichen und wirtschaftlichen Nachteile zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche·

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Gemäß der Erfindung wird eine Teilchenform eines Matrixmetalls um die gesinterten Teilchen gebildet, und die zusammengesetzte Masse wird dann über die Schmelztemperatur des Matrixmetalls und über die Entsinterungstemperatur der gesinterten Teilchen erhitzt. Dann wird die Masse zur Verfestigung gebracht, bevor die Teilchen vollständig entsintert, aufgelöst oder in das geschmolzene Matrixmaterial diffundiert sind.

Ähnlich wie bei dem bekannten Verfahren erfordert die Erfindung eine sorgfältige Steuerung der in die Masse eingeführten ¥ärmemenge, um den Grad der Oberflächenbeeinträchtigung der gesinterten Teilchen zu begrenzen. Würde das Verfahren langzeitig mit der maximalen von dem geschmolzenen Matrixmaterial angenommenen Temperatur durchgeführt, so könnten die Teilchen höherer Temperatur vollständig zerstört werden. Dies wäre unerwünscht, da die Eigenschaften der nach dem Verfahren hergestellten Materialzusammensetzung stark von dem Vorhandensein nur teilweise verschlechterter gesinteter Teilchen abhängen. Somit wird die Zuführung von Wärmeenergie nach einer relativ kurzen Zeit beendet und die Masse dann natürlich abgekühlt. Die Zeit, während der die Wärme zugeführt wird, und die Zuführungsrate sind derart bemessen, daß die Matrix schmelzen und die Oberflächen der Teilchen höherer Temperatur vollständig benetzen kann.. Dieses Benetzen erfordert eine Lösung und/oder Diffusion der nächsten Oberflächen der gesinterten Teilchen in das geschmolzene Matrixmaterial, womit eine gewisse Beeinträchtigung der Teilchenoberflächen und eine Verringerung der ursprünglichen Teilchengröße verbunden ist. Die Erwärmungszeit kann zur vollständigen Zerstörung einiger kleinerer Teilchen ausreichen, jedoch wird die Wärmezuführung beendet, bevor alle Teilchen vollständig zerfallen sind. Die Endzeit der Wärmezuführung berücksichtigt

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also, daß eine gewisse Beeinträchtigung nach Ende der Wärmezufuhr vorliegt.

Die Wärme kann in die Masse eingeführt werden, indem sie durch einen Ofen mit kontrollierter oder unkontrollierter Atmosphäre geführt oder einer Induktionsheizung ausgesetzt wird. Die Induktionsheizung kann auf die Teilchen einwirken, während diese in einer nicht leitenden Form angeordnet sind, oder es kann auch eine leitende Form erhitzt werden, die die Teilchen enthält.

Der exakte Mechanismus der Benetzung und Beeinträchtigung der Teilchenoberflächen hängt von der Natur der gesinterten Teilchen und von dem Matrixmetall ab. Typisch tritt jedoch eine Auflösung einiger der Bestandteile der harten Teilchen in dem Matrixmetall auf, ferner eine Diffusion einiger Bestandteile in das Matrixmetall und/oder die Freigabe unlöslicher Inseln der Teilchen in dem Matrixmetall und die Abwanderung dieser Inseln von ihren zugehörigen gesinterten Teilchen.

Bei einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung wird eine Zusammensetzung gesinterter Teilchen aus Kobalt gebundenem Wolframkarbid in einer Stahlmatrix hergestellt. Der Stahl wird in Teilchenform eingeführt, also beispielsweise als Kugeln, Klumpen, Schrot, Körner, Pulver oder als Kombination dieser Teilchenarten. Das verwendete gesinterte Wolframkarbid kann einige sehr feine Pulverteilchen aufweisen, jedoch sind typisch und zusätzlich Schrot oder ganze Teile einer wesentlich größeren Abmessung vorgesehen. Der Stahl kann auf eine Temperatur von 37 bis 93° C über seine Schmelztemperatur oder möglicherweise auf ca. 1540° C erhitzt werden. Da das an Kobalt ge-

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bundene gesinterte Material ursprünglich bei ca. 1470° C hergestellt wurde (die praktische oder "normale" Sintertemperatur) beginnt es, sich zu entsintern, wenn es einer Matrix höherer Temperatur ausgesetzt wird. Bei der Temperatur der geschmolzenen Matrix kann sich ein Teil des Bindemittels des gesinterten Wolframkarbids in dem geschmolzenen Stahl auflösen, und es tritt eine gewisse Diffusion des Kohlenstoffs und zu einem geringeren Grade des Wolframs in die Matrix hinein auf. Die Auflösung des gesinterten Bindemittels kann zur Freigabe feiner Wolframkarbidpulverteilchen in die Matrix führen. Die erhaltene Materialzusammensetzung enthält gesinterte Wolframkarbidteilchen kleinerer Größe als die ursprünglichen Teilchen, umgeben von Stahlzonen hohen Kohlenstoff- und hohen Wolframanteils, die nicht gesinterte Wolframkarbidteilchen mit Microngröße enthalten. Diese "Diffusionszonen" sind wesentlich härter als die Bereiche, die durch Verfestigung des unverfälschten Stahls gebildet wurden, und führen zu einer starken metallurgischen Bindung zwischen dem Stahl und den verbleibenden gesinterten Wolframkarbidteilchen .

Das Verfahren kann durchgeführt werden, während die Matrix und die Hochtemperaturteilchen unter Druckeinwirkung stehen, wie es beispielsweise bei einem Heißdruckverfahren der Fall ist. Dieses Verfahren führt zu einem Produkt höherer Dichte.

Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich auch zur Wiederformung gesinterter Abfall- oder Ausschußmaterialien in größere Formen. Beispielsweise bei der Herstellung gesinterter Kohlenstoffteile wie z.B. Schneidwerkzeuge u.a. wird ein ziemlich hoher Anteil Abfallmaterial erzeugt. Bisher war es erforderlich, diese Stoffe chemisch, mechanisch oder kombiniert zu behandeln, um sie auf feine Pulver

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zurückzuführen, die dann wieder nach einem Verfahren gesintert werden können, das ähnlich wie mit dem jungfräulichen ungesinterten Pulver durchzuführen ist. Ähnliche kostspielige und zeitraubende Verfahren wurden angewendet, um abgenutzte gesinterte Wolframkarbidteile wie Schneidwerkzeuge u.a. zu erneuern.

Durch Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ist es möglich, gesinterte Abfall- und Ausschußstoffe wiederzugewinnen, indem sie einfach zu Schrot mit wesentlich größerer Teilchengröße als die für die bisherigen Verfahren erforderlichen Pulver zerteilt werden und dieser Schrot als Hartteilchenmaterial in dem Verfahren angewendet wird. Das Matrixmaterial kann die Form von Teilchen desselben Bindemittels wie für die gesinterten Teilchen haben, d.h. mit einem Schrot aus gesintertem, an Kobalt gebundenem Wolframkarbid kann Kobalt als Bindemittel verwendet werden. Die Masse aus gesintertem Schrot und Kobalt wird über die Schmelztemperatur des Kobalts erhitzt. Die Erwärmung kann beendet werden, sobald die Kobaltmatrix und das Kobaltbindemittel des ^gesinterten Schrots ineinander gelöst sind. Auch kann sie fortgesetzt werden, um die Diffusion und die Auflösung des Kohlenstoffs und des Wolframs in dem Kobalt zu verstärken und somit den Grad der gehärteten Diffusionsζone zu vergrößern.

Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich gut zur Bildung von Teilen, die widerstandsfähig gegen starke Abnutzungskräfte sowie gegen Stoßkräfte sein müssen. Beispielsweise kann es zur Herstellung von Hämmern für Hammerwerke angewendet werden, die einer starken Abnutzung unterliegen. Außerdem ist es gut geeignet für die Herstellung von Steinmeißeln, Steinbohrern, Kratzwerkzeugen,

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Schlitten für die Erzförderung u.a. sowie für Zieh- und Spritzwerkzeuge. Es eignet sich auch zur Formung von Armierungen und durchdringungsfesten Sicherheitsplatten, die widerstandsfähig gegen Bohren, Schlagen und Brennen sind, sowie für durchschlagskräftige Geschosse.

Das Verfahren kann zur Herstellung zusammengesetzter Strukturen angewendet werden, bei denen die gesinterten Anteile ungleichmäßig verteilt, -jedoch in ausgewählten Abschnitten konzentriert sind, wo ihre Eigenschaften gefordert werden. Beispielsweise können bei der Herstellung von Steinmeißeln Teile aus gesintertem Material wahlweise in die Form vor der Erwärmung eingegeben werden, so daß die gesinterten Anteile bei dem fertigen Produkt nahe den Schneidflächen des Meißels angeordnet sind und die Halteflächen aus dem unverfälschten Matrixmaterial bestehen. Ähnlich kann bei der Armierung von Platten der gesinterte Schrot in der Vorderfläche angeordnet sein, so daß die Rückseite frei von härteren Teilchen und sehr geschmeidig ist, so daß beim Auftreffen eines Geschosses die Splitterwirkung minimal ist.

Die Größe der ursprünglichen gesinterten Teilchen kann geändert werden, um die gewünschte endgültige Form der Zusammensetzung anzupassen. Bei Schneidwerkzeugen sind relativ große Abschnitte aus gesintertem Material, die als Einsätze zu betrachten sind, nahe den Schneidflächen angeordnet. Der übrige Bereich kann feinere gesinterte Teilchen enthalten oder frei von diesen Teilchen sein, so daß relativ unverfälschte Matrixabschnitte vorliegen. Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht eine eingehende Benetzung der Einsätze in dem Matrixmaterial.

Relativ feine Teilchen eines gesinterten Materials, das während der Verarbeitung insgesamt zerfällt, können zur

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Steuerung des Ausmaßes der Diffusionszone und des Grades des Zerfalls größerer Teilchen verwendet werden. Da eine Zunahme der gelösten Bestandteile des gesinterten Materials in dem Matrixmaterial zu einer Verringerung der Löslichkeit der weiteren gesinterten Bestandteile des Matrixmaterials führen kann, ergibt sich durch Zugabe feiner gesinterter Teilchen, die sich schnell auflösen und in dem Matrixmaterial entsintern, eine Verringerung des Grades der Beeinträchtigung der größeren gesinterten Teilchen während des Verfahrens.

Das Verfahren nach der Erfindung unterscheidet sich gegenüber bisherigen Sinterverfahren, die bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt eines der Bestandteile durchgeführt werden, durch zwei Faktoren:

Zunächst ist einer der Bestandteile des Verfahrens zuvor gesintertes Material, im Gegensatz zu bisherigen Sinterverfahren, bei denen homogene Bestandteile verwendet werden. Die Beeinträchtigung der gesinterten Teilchen während des Verfahrens erfolgt durch einen Entsinterungsvorgang sowie durch Diffusion und Lösung, was auch bei bisherigen Sinterverfahren der Fall ist. Wenn beispielsweise das Verfahren nach der Erfindung mit an Kobalt gebundenem gesintertem Wolframkarbid durchgeführt wird, so löst sich das Kobaltbindemittel in der geschmolzenen Matrix mit viel höherer Geschwindigkeit als die Wolframkarbidteilchen selbst, wodurch Inseln aus Wolframkarbid in dem geschmolzenen Matrixmaterial verbleiben. Einige dieser Inseln können sich innerhalb der Matrix total auflösen, während andere in dem Endprodukt wenn auch mit geringerer Größe erhalten bleiben. Auf diese beiden Wege wird die Natur der Diffusionszonen, die die verbleibenden gesinterten.Teilchen umgeben, dramatisch beeinflußt.

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Der zweite kritische Unterschied zwischen dem Verfahren nach der Erfindung und den bisherigen Sinterverfahren liegt in der Anwendung von Temperaturen oberhalb der Entsinterungstemperatur der gesinterten Teilchen für das geschmolzene Material und die damit bewirkte Entsinterung während des Verfahrens. Bei den üblichen Sinterverfahren ist die Temperatur der Bestandteile derart, daß die Bewegung eines Bestandteils in den anderen hinein nur an der unmittelbaren Oberfläche erfolgt, so daß keine merkliche Verringerung der Teilchengröße während des Verfahrens auftritt. Die Teilchengrößen der in dem Verfahren verwendeten Teilchen sowie die endgültige Teilchengröße im gesinterten Material sind praktisch identisch. Im Gegensatz dazu führt die höhere Temperatur der geschmolzenen Bestandteile zu einer schnellen und merklichen Beeinträchtigung der Oberflächen der gesinterten Bestandteile, wobei die kleineren Bestandteile vollständig aufgelöst werden und die Teilchengröße der größeren Bestandteile merklich verringert wird.

Bei typischen Anwendungen der Erfindung werden die größten Teilchen des Materials höherer Temperatur innerhalb der Schmelze in ihrem Volumen um ca. 1 bis 70 % verringert. Kleinere Teilchen können vollständig zerfallen, und der prozentuale Anteil der Volumenverschlechterung ist eine Funktion der ursprünglichen Teilchengröße.

Die erhitzten Stoffe müssen schnell abgekühlt werden, um die Temperatur der Masse am Ende des Verfahrens unter die Temperatur zu bringen, bei der die Teilchen beeinträchtigt werden können. Diese Abkühlung erfolgt durch abruptes Beenden der Wärmezuführung, beispielsweise durch Entfernung der Form aus dem Ofen, Ausschalten des Ofens oder Ausschal-

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ten der Induktionsheizung. Zu diesem Zeitpunkt muß die Form auf einer Temperatur wesentlich unter der Beeinträchtigungstemperatur der Teilchen und der Schmelztemperatur des Matrixmaterials gehalten werden, so daß die Masse erstarrt. In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung kann diese schnelle Abkühlung durch ein gewisses Abschrecken erfolgen. Die relativ kurze Heizzeit und die schnelle Abkühlung nach dem Erhitzen stellen gleichfalls einen Unterschied der Erfindung gegenüber Sinterverfahren dar, die durch relativ lange Heizzeiten und relativ langsamen Temperaturabfall nach dem Aufheizen gekennzeichnet sind.

Diese hohe Rate des Teilchenabbaus erfordert, daß der Schmelzzustand beendet wird, bevor alle gesinterten Teilchen vollständig zerfallen. Damit ist auch der Aufbau der Einrichtung zur Wärmezuführung bestimmt. Im Gegensatz zu den bisherigen Sinterverfahren, bei denen die Pulver langsam auf Sintertemperatur gebracht und auf dieser Temperatur relativ langzeitig gehalten und dann langsam abgekühlt werden, erfordert das Verfahren nach der Erfindung entweder eine schnelle Bewegung des Materials in die Erwärmungszone und aus ihr heraus, beispielsweise bei einem Ofen, oder im Falle der Anwendung von Induktionsheizung eine genaue Ein- und Ausschaltung zum Jeweils geforderten Zeitpunkt.

Die so erhaltenen Matrialzusammensetzungen unterscheiden sich gegenüber gesinterten Materialien dadurch, daß die hohe Rate des Abbaus der gesinterten Teilchen während des Verfahrens eine besimmte dritte Phase in dem Endprodukt zusätzlich zu den beiden Anfangsphasen erzeugt, die durch die Ausgangsstoffe bestimmt sind. Zusätzlich zu der einfachen Bindung zweier Komponenten wie bei einem

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normalen Sinterverfahren erzeugt das Verfahren nach der Erfindung eine dritte Diffusionsζone, die eine Legierung von Bestandteilen der beiden Anfangsphasen aufweist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand in den Figuren dargestellter Beispiele von Verfahrensprodukten beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische, teilweise gebrochene Darstellung eines Abschnitts einer Armierungsplatte,

Fig. 2 den Schnitt eines Steinmeißels, wobei gewisse Abschnitte schematisch hervorgehoben sind,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Kratzers zur Reinigung von Bohrkolonnen,

Fig. 4 die perspektivische Darstellung eines Schneidwerkzeugeinsatzes,

Fig. 5 den Schnitt einer Turbinenständerschaufel, wobei gewisse Abschnitte schematisch hervorgehoben sind, und

Fig. 6 einen vergrößerten Abschnitt eines nach der Erfindung hergestellten Materials.

Das Verfahren nach der Erfindung kann mit Einwegformen beispielsweise aus Sand, Keramik oder Kunstharz durchgeführt werden. Vorzugsweise wird es jedoch mit wiederverwendbaren Formen aus Graphit, Molybdän o.a. angewendet.

Das verwendete Matrixmetall ist vorzugsweise Eisen, Nickel oder Kobalt sowie deren Legierungen. Zusammensetzungen mit Matrizen niedrigerer Schmelztemperatur wie beispielsweise Legierungen auf Kupferbasis sind leichter unter Anwendung üblicher Infiltrationsverfahren formbar. Die Matrixmaterialien bei einem Verfahren nach der Er-findung sind Kohlen-

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stofflegierte Stähle, korrosionsbeständige Stähle, Ausscheidungsgehärtete Stähle, Manganstähle und andere Formen von Legierungen auf Nickel- und Kobaltbasis zur Anwendung bei höheren Temperaturen. Im folgenden wird die Gruppe der Matrixmaterialien bestehend aus Legierungen auf Eisen-Nickel- und Kobaltbasis als "Legierungen auf Eisengruppenbasis" bezeichnet. Das gesinterte Material kann aus gesinterten metallischen Karbiden, Boriden, Suiziden oder Oxiden bestehen.

Beispiel I

Ein Abschnitt einer Bewehrungsplatte der in Fig. 1 gezeigten Art kann durch das Verfahren nach der Erfindung hergestellt werden. Das Element 10 kann eine Dicke von ca. 6,5 mm und jede geeignete Länge und Breite haben. Die fertige Platte besteht aus Edelstahl oder Manganstahl mit Teilchen oder Einlagerungen 12 aus an Kobalt gebundenem gesintertem Titankarbid, die an einer der Seitenflächen der Platte angeordnet sind. Die gesinterten Teilchen sind von Diffusionszonen umgeben, die aus einer Legierung von Stahl mit Kobalt und zu einem geringeren Anteil Kohlenstoff und Titan bestehen.

Zur Bildung der Platte 10 kann eine Graphitform verwendet werden, die mit einem fein pulverisierten, aufgesprühten hitzbeständigen Material versehen ist. Eine der Flächen der Form wird mit der gewünschten Menge Titankarbidteilchen versehen. Vorzugsweise werden hierzu Teilchen mit einer Dicke von 3,2 mm und mit unregelmäßiger Form verwendet, die durch Mahlen von Titankarbid u.a. in einer Käfigmühle hergestellt sind. Kleinere Teilchen in der Größenordnung von 1,6 mm Dicke können zusätzlich vorgesehen sein, um die Konzentration gesinterter Teilchen an der mit ihnen versehenen Fläche der Platte 10 zu erhöhen.

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Das Matrixmaterial kann pulverisierter Edelstahl oder Manganstahl etwa der Korngröße 150 sein. Die Form kann mit diesem Pulver gefüllt werden. Alternativ können auch kleine Kugeln, Klumpen oder Schrot dieses Materials verwendet werden.

Die Form wird schnell innerhalb einer Hochfrequenzheizvorrichtung auf ca. 1590° C erhitzt. Diese Erwärmung kann in einer neutralen Atmosphäre erfolgen, um eine Oxidation oder Sublimation des Graphits zu verhindern. Bei der in diesem Beispiel beschriebenen Platte wurde die Erwärmung 95 Sekunden lang durchgeführt. Dann wurde sie beendet und die Platte sofort auf Raumtemperatur abgekühlt.

Während der Erwärmung schmilzt das Pulver schnell und füllt die Zwischenräume zwischen den gesinterten Teilchen. Die Oberfläche der Teilchen kann auch in gewissem Grade gelöst werden. Diese Auflösung setzt sich fort, bis sich die Matrix kurz nach Ende der Induktionsheizung verfestigt, Der Grad der Oberflächenänderung der gesinterten Teilchen, die während dieser Erwärmungszeit auftritt, hängt von der Größe der einzelnen Teilchen ab. Während der Erwärmung können ea. 15 % des Volumens eines Teilchens mit einer Dicke von 3,2 mm, das von der Matrix vollständig umgeben ist, entfernt werden.

Die erhaltene Platte kann zur Verbesserung ihrer Erscheinungsform und ihrer Abmessungen weiter bearbeitet werden, indem zusätzliches pulverisiertes Matrixmaterial auf der gesinterten Fläche angeordnet und die Platte durch einen Ofen so lange hindurchgeführt wird, daß das Pulver schmilzt und eine gleichmäßige Schicht über der Plattenfläche entsteht, die das gesinterte Material enthält (Angriff sseite).

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Die fertige Platte hat eine Härte und einen Widerstand gegen Geschosse auf der Angriffsseite. Die Verformungsfähigkeit der Angriffsseite ist höher als diejenige des gesinterten Materials allein, und die Rißbildung und Wei terleitung von Stoßwirkungen sind minimal.

Die «ehr* veiforniungerähi^e Rüekeeitö de*⁴ Gleite sich leicht bei Durchschlag eines Geschosses von der Angriffsseite her, wodurch eine Splitterbildung vermieden wird.

Beispiel II

Das Verfahren nach der Erfindung kann zur Herstellung eines Steinmeißels oder Bohrkopfes 20 der in Fig. 2 gezeigten Art angewendet werden. Solche Werkzeuge werden zum Bohren im Erdreich und in Felsen verwendet. Der Meißel hat einen ftewindeschaft 22, der auf einer rotierenden Welle befestigt werden kann. Eine der vier Schneidkanten 24 des Meißels 20 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Graphitform ist so ausgebildet, daß sie einen durchgehenden Schaft erzeugt. Sie ist mit einem Schaftteil versehen, der länger als der endgültige Schaft ist. Dieser Formteil wird mit überschüssigem pulverisiertem Material gefüllt und wirkt als Vorratsraum zur Kompensation der Füllung von Zwischenräumen des Forminhalts während des Schmelzens und zum Ausgleich der Schrumpfung, die bei der Verfestigung des geschmolzenen Materials auftritt.

Die Form ist vorzugsweise aus Graphit hergestellt und mit einem fein pulveristierten Zirkon- oder Chromoxid beschichtet.

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Der Formabschnitt, der der Schneidekante des fertigen Werkzeugs entspricht (in Fig. 2 bei 26 gezeigt), ist mit Teilchen, von 6,5 mm Dicke aus an Kobaltstahl gebundenem gesintertem Wolframkarbid ausgekleidet. Teilchen mit einer Korngröße von 1,6 mm sind über den größeren Teilchen angeordnet. Die Form wird dann mit dem Pulver eines Legierungsstahls der Krongröße 150 bzw. 1,6 mm gefüllt. Die Form wird dann in einen Hochfrequenzofen gebracht und auf ca. 1590° C erhitzt. Nach 35 Sekunden wird die Erwärmung beendet und das geschmolzene Teil auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Heizzeit hängt von der exakten Konfiguration des Teils und der Packung der Teilchen ab, kann jedoch fortgestzt werden, bis 10 bis 20 % der größeren gesinterten Teilchen verändert sind.

Die gesteuerte Veränderung der größeren gesinterten Teilchen sowie die Lösung der kleineren Teilchen in den Stahl hinein ergibt eine glattere Schneidekante. Die gesinterten Teilchen sind metallurgisch in der Zusammensetzung gebunden und trennen sich nicht unter Einwirkung der Bohrkräfte. Nach geeigneter Wärmebehandlung

2 zur Erzielung einer Festigkeit von 14000 bis 21000 kg/cm hat die Schneidekante Abschnitte mit einer Härte im Bereich von 70 bis 90 Rockwell C-Einheiten. Die regellose Lage der größeren gesinterten Teilchen verhindert das Auftreten eines regelmäßigen Abnutzungsmusters während des Bohrens und trägt zur Verbesserung der Lebensdauer des Werkzeugs bei.

Alternativ können auch anstelle der gesinterten Teilchen zur Auskleidung der Form Teile aus gesintertem Wolframkarbid verwendet werden. Diese Teile bilden dann die Schneidekante in dem fertigen Werkzeug. Während des

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Erwärmens werden nur die Oberflächen der Teile, die in Kontakt mit der geschmolzenen Matrix sind, verändert, während die anderen Oberflächen ihre ursprüngliche Konfiguration behalten.

Beispiel III

Ein Kratzer 30 zur Reinigung von Bohrkolonnen ist in Fig. 3 dargestellt. Ein solcher Kratzer ist mit Federkraft in einem Gehäuse so angeordnet, daß seine Kratzkanten 32 an die Innenseite des Gehäuses angedrückt werden. Der Kratzer 30 hat vier vollständige Kratzkanten 32 und eine schmale "Einführungskante" 34. Zur Positionierung der Federn sind Löcher 36 vorgesehen.

Die Kratzeranordnung wird mit einer Molybdänlegierungsform hergestellt, um die Entfernung des Gußstücks ohne Formschaden zu ermöglichen. Die Form ist in einem Molybdänblock ausgebildet, und das fertige Werkzeug wird mit einem komplexen Silizid beschichtet, um eine Oxidation bei Betriehstemperatur zu vermeiden.

Die Form wird mit gesinterten Teilchen aus an Kobalt gebundenem Wolframkarbid von 6,5 bis 3,2 mm Größe an der Fläche gefüllt, wo die Segmente 32 zu bilden sind. 2,4 mm große gesinterte Teilchen werden zusammen mit Teilchen der Korngröße 40 an der Stelle der Einführungskante 34 vorgesehen. Die Form wird mit 50 bis 325 SAE 4340 gefüllt.

Die Form wird in einem Durchlaufofen mit gesteuerter Atmosphäre und einer Hochtemperaturzone von 1530 bis 1620° C für eine Zeit von 1 bis 5 Minuten erhitzt. Die Zeit kann experimentell zur Erzielung optimaler Eigenschaften des Produkts ermittelt werden. Die Abkühlung er-

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folgt in Luft oder in einer Kühlzone des Ofens mit gesteuerter Atmosphäre.

Das fertige Werkzeug wird aus der Form entnommen und einer Wärmebehandlung mit Ölabschreckung und Temperung ausgesetzt, um geforderte Eigenschaften zu verwirklichen.

Die gesteuerte Veränderung der gesinterten Teilchen der vier großen Kratzkanten 32 führt zu einem guten Abriebwiderstand. Diese Fläche verläuft bis zu den Kanten der Schneidefläche und verlängert die Lebensdauer des Werkzeugs. Die Veränderung der gesinterten Teilchen an dem schmalen Abschnitt 32 erzeugt eine relativ verformungsfähige, abnutzungsfeste Fläche, die durch übliche Stoffe oder Materialzusammensetzungen nicht angreifbar ist.

Beispiel IV

Das Verfahren nach der Erfindung kann auch zur Herstellung von Schneidwerkzeugeinsätzen der in Fig. 4 gezeigten Art angewendet werden. Ein solcher Einsatz 40 kann beispielsweise bei Drehstählen, Walzmaschinen u.a. verwendet werden. Der fertige Einsatz 40 hat eine Rechteckform mit einer Schneidekante 42 und zeichnet sich durch Abschnitte aus gesintertem Wolframkarbid aus, die in einer Stahlmatrix 44 angeordnet sind.

Die Einsätze 40 werden entweder mit kleinen Einzelformen oder mit Mehrfachformen aus Graphit hergestellt. Gesinterte Wolframkarbidteilchen mit einer Größe von 3,2 mm werden zusammen mit gesinterten Karbidteilchen der Korngröße 100 an der Schneidefläche angeordnet. Der übrige Teil der Form wird mit Pulver des Materials SAE 4340 der Korngröße 100 oder einer Stahllegierung mit 5 % Chrom gefüllt.

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Die Form wird durch Induktionsheizung auf ca. 1560° C gebracht und auf dieser Temperatur ca. 3 Minuten lang oder bis zur Veränderung von ca. 20 % der größeren gesinterten Teilchen in dem geschmolzenen Stahl gehalten. Diese Größenverringerung des fertigen Formteils kann durch radiographische metallographische Überprüfung bestätigt werden.

Der fertige Einsatz hat ausgezeichnete Bearbeitungseigenschaften und zeigt keine Span- oder Bruchbildung bei Stoßbeanspruchung oder während intermittierenden Maschineneinsatzes. Dies ist auf das vergleichsweise verformungsfähige Grenzmaterial zwischen den gesinterten Teilchen zurückzuführen, welches sich aus deren gesteuerter Veränderung und Lösung in den Stahl hinein ergibt. Die ursprüngliche Härte der übrigen größeren gesinterten Teilchen wird durch das Verfahren nicht verringert.

Beispiel V

In Fig. 5 ist ein Schnitt einer Turbinenständerschaufel 50 dargestellt. Diese ist aus einer gemäß der Erfindung hergestellten Materialzusammensetzung gebildet und hinter den Brennkammern der Maschine angeordnet. Die Temperatur kann an dieser Stelle 1100° C überschreiten. Die Lebensdauer der Schaufeln wird durch Wärmeschockrisse, Erosion, Oxidation und Sulfidation (bei bestimmten Brennstoffen) sowie durch Salz (in Seewasseratmosphäre) begrenzt. Bisherige Materialien für diese Schaufeln stellten einen Kompromiß hinsichtlich Materialeigenschaften, Herstellungsverfahren und Lebensdauer dar. Komplizierte Kühlsysteme wurden zur Verwirklichung vorgegebener Konstruktions- oder Leistungsdaten eingesetzt.

Die Schaufel 50 wird in einer Molybdänform hergestellt. Kleine Löcher werden in die obere Hälfte der Form gebohrt,

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um eine Luftabführung und eine Einstellung der Atmosphäre, wie bei der Verarbeitung erforderlich, zu ermöglichen. Die Form ist mit einem Silizid beschichtet, um einen Oxidationswiderstand zu erzielen.

Die Formbereiche, die der Vorderkante der Schaufel entsprechen, werden mit gesinterten Wolframkarbidteilchen der Korngröße 100 bzw. der Dicke 4,8 mm gefüllt. Der Rest der Form wird mit einer Hochtemperaturlegierung, vorzugsweise mit einer Legierung auf Kobaltbasis, gefüllt. Der Stahl wird in den Befestigungsabschnitt 52 sowie in den Profilabschnitt 54 gefüllt. Die Formtemperatur wird ca. 38° C über die Schmelztemperatur des Stahls in einem Induktionsofen erhöht. Die Erwärmung wird fortgesetzt, bis ca. 15 % der größeren gesinterten Teilchen verändert sind, und dann abrupt beendet, so daß die Masse unmittelbar auf Raumtemperatur abkühlen kann. Während der Verarbeitung wird ein Druck auf die Molybdänform im Bereich von 1,4 bis 210 kg/cm ausgeübt. Dies gewährleistet die vollständige Ausfüllung der Zwischenräume zwischen den Phasen und eine hohe Abmessungsgenauigkeit. Der Druck wird nach 1 bis 30 Minuten nach Ende der Erwärmung verringert .

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnitts der nach der Erfindung hergestellten Materialzusammensetzung. Der Schnitt zeigt eine Zusammensetzung mit einem Bereich, der gesinterte Teilchen mit einer ausreichenden gegenseitigen Nähe enthält, so daß die erhaltenen Diffusionszonen eine kontinuierliche Matrix für die Teilchen bilden. Ferner ist ein anderer Bereich mit einem ausreichenden Mangel gesinterter Teilchen gezeigt, in dem dann die Eigenschaften im wesentlichen des Matrixmetalls vorliegen.

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Die in der fertigen Zusammensetzung verbleibenden
Teilchen haben eine Härte von 78 Rockwell C-Einheiten. Die Matrix, die die Teilchen umgibt, hat drei Bereiche mit 70, 60 und 40 Rockwell C-Härteeinheiten. Diese Bereiche gehen ineinander über und bilden eine kontinuierliche Diffusionszone. Das eigentliche Matrixmetall ist an der unteren linken Seite der Darstellung angedeutet und hat eine Härte von 30 Rockwell B-Einheiten.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Bildung von Materialzusammensetzungen, die gesinterte Teilchen einer ersten mittleren Teilchengröße enthalten, die von Zonen aus einer Lösung des Teilchenmaterials in einer Metallmatrix umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß gesinterte Teilchen einer zweiten, relativ großen Teilchengröße mit den Teilchen des Matrixmaterials zu einer Masse verarbeitet werden, die dann für mindestens einen Teil der Matrixteilchen über die Schmelztemperatur des Matrixmaterials und über die normale Sintertemperatur der gesinterten Teilchen erhitzt wird, um deren teilweisen Abbau durch Einwirkung des geschmolzenen Matrixmaterials hervorzurufen, und daß die Masse unter die Erstarrungstemperatur des Matrixmaterials abgekühlt wird, wenn die gesinterten Teilchen ihre Größe auf die erste Teilchengröße verringert haben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gesinterte Teilchen aus einem Metallkarbid verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gesinterte Teilchen aus Wolframkarbid verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrixmaterial Stahl verwendet wird.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung durch Induktion hochfrequenter Ströme erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Teilchengröße, die Matrixteilchengröße und die Hochfrequenz so bemessen sind, daß sie die erste Teilchengröße bestimmen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung durch Anordnen der Masse in einer Umgebung reduzierter Temperatur und Unterbrechung der Wärmezufuhr erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Matrixmaterial in Pulverform verwendet wi^d.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß gesinterte Teilchen aus Metall-Keramik verwendet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung beendet wird, wenn ca. 1 bis ca. 70 % der größeren Teilchen in der geschmolzenen Matrix teilweise abgebaut sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung durch Bewegung der Masse durch einen Ofen erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrixmaterial Stahl verwendet wird und daß die Erhitzung auf eine Temperatur zwischen 1450° C und 1760° C erfolgt.

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13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse in einer elektrisch leitfähigen Form angeordnet wird.

14. Abnutzungsfestes Element, insbesondere Werkzeug zur Steinbearbeitung oder Reinigung von Bohrkolonnen, geformt aus einem nach einem der Ansprüche 1 bis 13 gebildeten Material, dadurch gekennzeichnet, daß an mechanisch zu beanspruchenden Stellen (12, 26, 32, 34, 42) und/oder Flächen des Elements (10, 20, 30, 40, 50) stärker konzentrierte Einlagerungen, Einsätze oder Bereiche der gesinterten Teilchen und an den übrigen Stellen im wesentlichen Matrixteilchen vorgesehen sind.

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