DE588911C - Sintered hard metal alloy containing boron carbide for work equipment and tools and processes for their manufacture - Google Patents
Sintered hard metal alloy containing boron carbide for work equipment and tools and processes for their manufactureInfo
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Description
Gesinterte, Borcarbid enthaltende Hartmetallegierung für Arbeitsgeräte und Werkzeuge und Verfahren zu ihrer Herstellung Es ist bereits öfter vorgeschlagen worden, Borcarbicle wegen ihrer ungewöhnlich großen Härte, und zwar insbesondere das Borcarbid 'der Formel B., C, zur Herstellung von Arbeitsgeräten und Werkzeugen zu benutzen. Meist wird hierbei das Borcarbid entweder allein oder auch unter Zusatz geringer Mengen von hochschmelzenden Metallen oder deren Carbiden, wie -Wolfram, Titan, Wolframcarbid oder Titancarbid, geschmolzen und dann in eine der Gestalt der herzustellend°n Geräte oder Werkzeuge angepaßte Form ausgegossen. Diese Herstellungsart ist jedoch wegen des hoben Borcarbidschmelzpunktes schwierig und auch für eine Massenherstellung wenig geeignet, ganz abgesehen davon, daß die Fertigerzeugnisse hierbei nicht immer ein homogenes Gefüge erhalten und endlich auch nur mit erheblichen Schwierigkeiten nachträglich bearbeitet werden können.Sintered hard metal alloy containing boron carbide for work tools and tools and methods for making them. It has been proposed several times boron carbicle because of their unusually great hardness, and in particular in particular the boron carbide 'of the formula B., C, for the manufacture of implements and tools to use. In most cases, the boron carbide is used either alone or with additives small amounts of refractory metals or their carbides, such as tungsten, Titanium, tungsten carbide or titanium carbide, melted and then into one of the shapes The mold adapted to the equipment or tools to be produced is poured. This manufacturing method however, it is difficult because of the elevated melting point of boron carbide and is also suitable for mass production not very suitable, quite apart from the fact that the finished products are not always here get a homogeneous structure and finally only with considerable difficulty can be edited afterwards.
Es ist ferner versucht worden, durch SinterungvonpulverförmigenAusgangsmaterialien, z. B. Bornitrid und Kohle, .Sinterkörper herzustellen. Derartige Produkte haben eine sehr beträchtliche Härte, ,aber nur eine sehr geringe Festigkeit und eine sehr große Porosität. Man hat daher auch schon zur Erzielung von Borcarbidkörpern größerer Dichte vorgeschlagen, pulverförmiges Borcarbid in Fortuen aus Borstickstoft gleichzeitig zu pressen und zu sintern. Ein Nachteil dieser Herstellungsart liegt jedoch darin, daß die Preßformen den erforderlichen hohen Drücken bei gleichzeitiger hoher Erhitzung nicht genügend, zum mindesten nicht auf .die Dauer standhalten, sowie auch darin, daß man auf diese Weise ebenfalls nur zu einer .Einzelherstellung, nicht aber zu einer Wirtschaftliehen Massenherstellung gelangt.Attempts have also been made to sinter powdery starting materials, z. B. boron nitride and carbon. Manufacture sintered bodies. Have such products a very considerable hardness, but only a very low strength and a very high one great porosity. One therefore has to obtain larger boron carbide bodies Proposed density, powdered boron carbide in Fortuen from Borstickstoft at the same time to press and sinter. However, a disadvantage of this type of production is that that the molds meet the required high pressures with simultaneous high heating not enough, at least not for the long term, as well as in it, that in this way one can only produce a single product, but not to an economic mass production.
Die Erfindung beruht in der Erkenntnis, daß man bei der Sinterung von Pulverpreßkörpern dennoch zu harten, dichten und festen Formkörpern gelangen kann, und zwar auf einem für eine Massenherstellung durchaus geeigneten Wege, wenn Borcarbid zwar als Hauptbestandteil des Ausgangspulvers benutzt wird, diesem jedoch noch zusätzlich ein oder mehrere die Porosität herabsetzende Hilfscarbide von hohem, aooö° C übersteigendem Schmelzpunkt und außerdem auch gleichzeitig noch ein oder mehrere zur Erniedrigung der Sinterungstemperatur und zur Erhöhung der Zähigkeit und Festigkeit der Legierung dienende, niedriger schmelzende Hilfsmetalle zugesetzt werden. Die Zusatzstoffe, also hochschmelzende Carbide - einerseits und niedriger schmelzende Metalle andererseits, dürfen dabei zusammen nicht mehr als 25 °% der Gesamtmischung ausmachen, da bei größerem Prozentsatz der Zusatzstoffe die Härte des Fertigerzeugnisses unbefriedigend ist. Der Hilfsmetallgehalt kann zwischen o,5 und 2o °jo schwanken. Als hochschmelzende Hilfscarbide kommen vornehmlich die Carbide von Silicium, Vanadium, Wolfram, Molybdän, Titan, Hafnium und Zirkon in Betracht, während als niedriger schmelzendeZusatzinetallevornehmlichNickel; Kobalt, Eisen und Chrom geeignet sind.The invention is based on the knowledge that when sintering still get from powder compacts to hard, dense and solid moldings can, in a way that is perfectly suitable for mass production, if Boron carbide is used as the main component of the starting powder, but this is one or more auxiliary carbides of high porosity reducing, aooö ° C exceeding melting point and also at the same time another or several for lowering the sintering temperature and increasing the toughness and strength of the alloy, lower melting auxiliary metals are added will. The additives, i.e. high-melting carbides - on the one hand and lower melting metals, on the other hand, must not be used together more make up more than 25% of the total mixture, since with a larger percentage of additives the hardness of the finished product is unsatisfactory. The auxiliary metal content can vary between 0.5 and 20 degrees jo. The high-melting auxiliary carbides are mainly used the carbides of silicon, vanadium, tungsten, molybdenum, titanium, hafnium and zirconium contemplated, while the lower melting point additive metals primarily nickel; Cobalt, Iron and chromium are suitable.
Zur Herstellung der Forrnkörpe r wird zunächst das Bor in bekannter Weise, z. B. in einem von. Wasserstoff, gegebenenfalls mit Zusatz von Kohlenwasserstoff, .durchspülten Kohlerohrofen bis zur Erreichung eines z. B. der FormzIB"C entsprechenden Kohlenstoffgehaltes karburiert. Sodann werden .dem Borcarbid die erforderlichen Mengen der hochschmelzenden Hilfscarbide und der niedrigschmelzenden Hilfsmetalle in möglichst feiner Verteilung hinzugefügt. Es ist nicht unbedingt notwendig, die hochschmelzenden Hilfscarbide vor der Zumischung in einem besonderen Arbeitsgang zu erzeugen. Es können mit dein gleichen Erfolg die Metalle der hochschmelzenden Hilfscarbide zugesetzt und während der Sinterung karburiert werden. Die aus einem solchen Pulvergemisch hergestellten Preßkörper werden nunmehr in einem Kohlerohrofen unter Wasserstoffspülung gesintert. Hierbei .gehen die zur Carbidbildung neigenden Zusatzstoffe, wie. Silicium, Titan, Zirkon, in Carbide über, wiihrend andererseits die Hilfsmetalle, wie Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom, zwar auch etwas Kohlenstoff aufnehmen, aber ihren metallischen Charakter beibehalten. Es hat sich ferner gezeigt, daß zur Beseitigung der Porosität die zur Bildung hochschmelzender Carbide zuzusetzenden Metalle-ganz oder teilweise durch elementares Bor ersetzt werden können.In order to produce the shaped bodies, boron is first used in a known manner Way, e.g. B. in one of. Hydrogen, optionally with the addition of hydrocarbons, . Flushed coal tube furnace until a z. B. the formzIB "C corresponding Carbon content carburized. Then .dem boron carbide the required Amounts of the high-melting auxiliary carbides and the low-melting auxiliary metals added in the finest possible distribution. It's not strictly necessary that high-melting auxiliary carbides prior to admixture in a special process to create. The metals of the refractory can be used with your same success Auxiliary carbides are added and carburized during sintering. The one from one Such compacts produced powder mixture are now in a coal tube furnace sintered with hydrogen flushing. In this case, those with a tendency to form carbides go Additives like. Silicon, titanium, zirconium, into carbides, while on the other hand the auxiliary metals, such as iron, nickel, cobalt, chromium, but also some carbon but retain their metallic character. It has also been shown that to eliminate the porosity to be added to the formation of high-melting carbides Metals can be completely or partially replaced by elemental boron.
Obwohl bei der neuartigen Zusammensetzung des Ausgangsgemisches allein durch !I genügend lange Dauer der Sinterung der Pulverpreßkörper dichte Erzeugnisse erzielt werden können, kann aber dennoch .die Sinterung auch unter gleichzeitiger Druckwirkung erfolgen, wodurch sie in weit kürzerer Zeit zu Ende geführt wird.Although with the novel composition of the starting mixture alone dense products by means of a sufficiently long period of sintering of the powder compacts can be achieved, but can still .the sintering with simultaneous Pressure effect take place, whereby it is completed in a much shorter time.
Die Sinterung zu dichten Körpern kann erfolgreich dadurch erleichtert werden, daß das Pulvergemisch vor der Pressung im Vakuum möglichst vollständig bei hohen Temperaturen entgast und dann- der Sinterprozeß ebenfalls im Vakuum durchgeführt wird. Statt die Sinterung in einem Arbeitsgange durchzuführen, kann man auch den Preßkörper erst vorsintern und ihn durch Bearbeitung in die gewünschte Form bringen und dann erst hochs;intern. Ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel ist das folgend: Amorphes, möglichst feinkörniges Bor, welches beispielsweise durch Reduktion von Bortrioxyd mit Magnesium und Nachbehandeln mit Salzsäure gewonnen wurde, wird im Kohlerohrofen auf möglichst nicht kohlender Unterlage (Tantalcarbid) unter Spülung mit Wasserstoff oder einem Wasserstoff-Kohlenwasserstoff-Gemisch bei etwa i700° C so lange erhitzt, bis eine etwa der Formel B"C entsprechende Zusammensetzung erreicht ist. Das entstandene graue Pulver wird sodann mit etwa 5 °/" amorphem feinkörnigem Silicium und 2,5 % feinkörnigem, in Wasserstoff reduziertem Eisenpulver innig vermischt. Das Gemenge wird sorgfältig bei etwa 13500 C im Vakuum entgast und unmittelbar hierauf zu Formkörpern gepreßt. In -einem von trockenem Wasserstoff durchspülten Kohlerohrofen werden sodann die Preßkörper langsam auf etwa 20o0° C erhitzt, wodurch sie eine so große Festigkeit erlangen, daß sie sich gut bearbeiten lassen. Nach der Formgebung werden .die Formkörper unter den gleichen Bedingungen wie vorher auf etwa 220o bis 230o° C erhitzt und fertig gesintert, was nach etwa i Stunde der Fall ist.Sintering to form dense bodies can be successfully facilitated by degassing the powder mixture as completely as possible at high temperatures before pressing in a vacuum and then also carrying out the sintering process in a vacuum. Instead of carrying out the sintering in one operation, the pressed body can also be pre-sintered first and brought into the desired shape by machining and only then internally. A useful embodiment is as follows: Amorphous, as fine-grained boron as possible, which was obtained, for example, by reducing boron trioxide with magnesium and post-treating with hydrochloric acid, is placed in a carbon tube furnace on a non-carbonizing substrate (tantalum carbide) while flushing with hydrogen or a hydrogen-hydrocarbon mixture Heated at about 1700 ° C until a composition approximately corresponding to formula B "C is reached. The gray powder formed is then intimately mixed with about 5% amorphous fine-grain silicon and 2.5% fine-grain iron powder reduced in hydrogen . The mixture is carefully degassed at about 13500 C in a vacuum and immediately then pressed into molded bodies. In a carbon tube furnace flushed with dry hydrogen, the pressed bodies are then slowly heated to about 20o0 ° C., whereby they acquire such great strength that they can be easily processed. After shaping, the moldings are heated to about 220 ° to 230 ° C. under the same conditions as before and sintered to completion, which is the case after about one hour.
Die erfindungsgemäß hergestellten Erzeugnisse besitzen neben beträchtlicher Härte eine so große Festigkeit und Zähigkeit, daß sie als Material für Arbeitsgeräte und vor allem auch Werkzeuge aller Art ausgedehnte Verwendung finden können, und zwar nicht nur für metallische Werkstoffe, sondern auch für Glas, Porzellan, Isolierstoffe und harte Mineralstoffe, wie beispielsweise Bergkristall.The products produced according to the invention have in addition to considerable Hardness so great strength and toughness that it can be used as a material for work tools and above all tools of all kinds can find extensive use, and not only for metallic materials, but also for glass, porcelain and insulating materials and hard minerals such as rock crystal.
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