DE851553C - Verwendung von Borkarbid fuer harte Gebrauchsgegenstaende und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

• Verwendung von Borkarbid für harte Gebrauchsgegenstände und Verfahren zu deren Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Borkarbid für harte Gebrauchsgegenstände, wie Strahldüsen, Ziehsteine, Schneidwerkzeuge und Lager, sowie auf ein Verfahren zu deren Herstellung.
• Man kann nicht zur Herstellung solcher Gegenstände, die im Gebrauch starker Reibung ausgesetzt sind, körniges Borkarbid durch ein Bindemittel vereinigen. Dabei würden die Gegenstände in den durch das Bindemittel angefüllten Kornzwischenräumen weichere Stellen aufweisen, an denen sie leicht angreifbar wären. Sie würden infolgedessen z. B. bei der Verwendung als Strahldüsen und Ziehsteine keine glatte Oberfläche bewahren, vielmehr würde das Bindemittel herausgeschliffen werden, so daß die Fläche rauh würde. Ein Zusammenschmelzen oder -sintern von Borkarbidpulver allein zu festen Körpern war nicht möglich, weil der stets reichlich beigemengte Graphit die Entstehung einer homogenen Masse von genügender Festigkeit unmöglich machte. Die als Trennflächen wirkenden Graphiteinlagerungen schwächten den Zusammenhalt so sehr, daß schon bei geringem Druck ein Zerkrümeln erfolgte.
• Es hat sich nun gezeigt, daß es möglich ist, aus Borkarbid B4 C (vgl. Patentschrift 672 55a), das in reinem Zustand eine einzige kontinuierliche Phase ohne jede Einlagerung von freiem Graphit dargestellt und in dieser Form im Großbetrieb in erheblichen Mengen, neben mehr oder weniger durch Graphit verunreinigten Anfällen, gewonnen werden kann, Gegenstände lediglich durch Erhitzen einer körnigen Masse ohne Anwendung eines Bindemittels herzustellen. Diese Gegenstände werden, wenn das körnige Gut beim Erweichen gehörig zusammengepreßt wird, einwandfrei dicht, homogen und fest, so daß es infolge Fehlens schwächerer Stellen dem Angriff der Arbeitsvorgänge überall gleichmäßig widersteht und z: B. auch bei Strahldüsen kaum eine Abnutzung zeigt, jedenfalls nicht durch Ausschleifen weicherer Stellen eine Auf rauhung erfährt. Infolge der Homogenität des Materials kann man den aus ihm hergestellten Gegenständen auch eine einwandfreie Politur, sogar auf Hochglanz, gaben. Aus allen diesen Gründen. ist das Material beispielsweise auch für Ziehsteine und Lager geeignet.
• Die erwähnten Anwendungen erfordern nicht unbedingt ein ganz reines B4 C, vielmehr ist die Verarbeitung in durch Erhitzung erweichtem Zustand noch innerhalb gewisser Grenzen der Abweichung vom Reinzustand möglich. Die reine Verbindung B4 C enthält 78,3 % Bor und :2 1,7 % Kohlenstoff. Die Anwendung der Erfindung ist aber möglich bei einem Borgehalt von 77 bis 8o% und einem Kohlenstoffgehalt von 23 bis 200/0.
• Die körnige Borkarbidmasse schmilzt bei etwa 2375° C ohne Verlust durch Verflüchtigung und läßt sich in einem feuerfesten, nicht reaktionsfähigen Behälter formen. Für die Form kommt wegen des hohen Schmelzpunktes praktisch nur Graphit in Frage. Das erwähnte Borkarbid kann indessen nicht in der üblichen Weise durch Schmelzen in einer Graphitform geformt werden, ohne hierbei wenigstens an seiner Oberfläche beträchtliche Mengen Graphit aufzulösen, die nach der Abkühlung als Trennflächen zwischen den Borkarbidkristallen erscheinen. Diese Gefahr wird vermieden durch Erhitzen in der Form unter Preßdruck, durch den bei Erreichen des Erweichungszustandes unmittelbar anschließend das Formpressen stattfindet, worauf unverzüglich die Wärmezufuhr, z. B. durch Abschälten des Stromes des elektrischen Ofens, unterbrochen und eine schnelle Abkühlung, z. B. ,durchKühlwasserzufuhr,erfolgen kann, so daß die Zeit für eine nennenswerte Reaktion zwischen dem weichen Borkarbid und dem Graphit der Form zu kurz ist. Dieser Arbeitsgang wird vorzugsweise in Gegenwart eines indifferenten Gases oder in Abwesenheit von Sauerstoff oder solchen Stoffen durchgeführt, die Reaktionen oder Zersetzungen des Borkarbids hervorrufen.
• Der Kühlvorgang läßt sich so regeln, daß jedes gewünschte Ausglühen des Körpers und eine Kristallbildung erreicht wird.
• Bei Versuchen hat sich gezeigt, daß das Erweichen von körnigem Borkarbid unter hohem Druck bei einer beträchtlich unter seinem Schmelzpunkt liegenden Temperatur beginnt. Es kann angenommen werden, daß ein etwas höherer spezifischer.Druck an den Spitzen und Kanten der erweichten Körner entsteht, die dadurch hier allmählich in eine zähflüssige Masse verwandelt werden und unter dem Druck zusammenfließen, bis schließlich die Poren im wesentlichen verschwunden sind, .so @daß ein dichter, einheitlicher Körper vorliegt. Werden gröbere Körner mit entsprechend großen Zwischenräumen zwischen den Körnern verwendet, so ist ein bedeutend höherer Druck zur Erreichung der Höchstdichte erforderlich als bei feinerer Körnung. Zur Erreichung der Höchstdichte wird daher vorzugsweise ein feines Pulver verwendet, das durch ein Sieb mit 8o Maschen auf den laufenden Zentimeter geht. Es empfiehlt sich die Verwendung einer bestimmten Korngröße, damit der Formkörper ein bestimmtes Verhältnis zwischen Volumen und Gewicht aufweist. Wird ein derartiges Pulver von wesentlich reinem Borkarbid B4 C verwendet, so kann die scheinbare Dichte auf einen: Wert erhöht werden, der der wirklichen Dichte (.spezifisches Gewicht) von Borkarbid, die etwa 2,52 ;beträgt, im wesentlichen gleich ist oder höchstem 2% von ihr abweicht. Viele nützliche Gegenstände in einem Größenbereich von etwa 6 -bis 38 mm Durchmesser sind mit einer Dichte zwischen 2,3 und 2,55 durch die Anwendung eines Druckes von 7 bis 3oo kg/cm2 hergestellt worden, ohne daß das Borkarbid so hoch erhitzt worden wäre, daß es in nennenswertem Maße Graphit löste.
• Größte Dichte und Festigkeit erzielt man bei Verwendung eines möglichst reinen Gutes, das im wesentlichen frei von Graphit und Boratglas sowie von Metallen, wie z. B. Eisen, Aluminium und Silicium, ist.
• Die folgenden, von Versuchsergebnissen stammenden Beispiele geben einen Vergleich zwischen typischen Analysen des verwendeten Bor!karbidpulvers und der fertigen Gegenstände.

  Borkarbidpulver: B C Si Fe Al Ca Mg 0

  Gewichtsprozent: 76,5 2o,6 o,8 0,4 0,5 0,1 Spuren

  Aus dem Pulver Gewichtsprozent

  geformte Stücke B I C Si I Fe I A1 Ca I Mg0

  Muster Nr. i) ...... 77,3 22,4 0,3 0,1 0,2 nichts nichts

  Muster Nr, 2)...... 77,8 21,0 0,7 0,3 0,2 - -

  Muster Nr.3)...... 78,5 21,1 0,3 Spuren Spuren - -

  Wie aus diesen Beispielen zu ersehen ist, führt das bei der Herstellung der Formkörper zur Anwendung gebrachte Hochtemperaturpreßverfahren dazu, daß die Masse weiteren Kohlenstoff aufnimmt unter Verringerung des freien Borgehaltes und daß die geringen Mengen von Verunreinigungen durch

  Verflüchtigung auf kaum nennenswerte Mengen

  verringert werden. Es ist ferner ersichtlich, daß

  die Analyse des Musters N r. 3 der idealen Masse

  am nächsten kommt.

  In der bevorzugten Ausführungsform der Erfin-

  dung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, in dem

  Borkarbid eine Kleinigkeit mehr freies Bor zu he-

  lassen, als für die Herstellung des Karbids B,C

  notwendig ist. Man kann annehmen, daß dieser

  Borüberschuß die von der Graphitform kommen-

  den Kohlenstoffdämpfe neutralisiert.

  Die hohe Temperatur im Ofen wird vorzugs-

  weise mittels eines optischen Pyrometers heobach-

  tet, während die Regelung des elektrischen Stromes

  und des Preßdruckes von Hand erfolgt. Es ist fest-

  gestellt worden, daß die endgültige Temperatur in

  direktem Verhältnis zum Druck steht und daß

  nach Aufhebung des Druckes die erweichte Masse

  wieder erhärtet. Die Formtemperatur kann daher

  durch entsprechende Änderung der Druckverhält-

  nisse geändert werden, und es können somit Gegen-

  stände von gewünschter Dichte hergestellt werden,

  ohne ciaß die Temperatur sich zu sehr dem Punkte

  nähert, in dem sich der Graphit nennenswert löst.

  Eine Ausführungsform der Einrichtung zur Her-

  stellung der Gegenstände ist in der Zeichnung dar-

  geste1 lt.

  Fig. i zeigt in der Seitenansicht, teilweise in

  senkrechtem Längsschnitt, einen elektrischen Ofen

  und eine Form für das Formen eines höhlen, zylin-

  drischen oder rohrförmigen Körpers aus Bor-

  karbid;

  Fig.2 ist eine vergrößerte Einzeldarstellung,

  teilweise im Schnitt, der in Fig. r g=ezeigten

  Graphitformteile;

  Fig.3 ist eine ähnliche Einzeldarstellung, aus

  der die Einrichtung der Formteile für die Her-

  stellung eines massiven Körpers von zylindrischer

  oder anderer Form hervorgeht;

  Fig.4 zeigt Kurven, die die Beziehungen der

  Kolbenbewegung zur Temperatur des Borkarbids

  veranschaulichen.

  Der Ofen ist mit einem zylindrischen Stahl-

  mantel io ausgestattet, der zusammen mit metalle-

  nen Stirnwänden 12 ein wärmeisolierendes und

  schützendes Gehäuse für den Widerstand und die

  Formteile bildet. Zwischen die Endflanschen 13

  des Mantels io und die Stirnwände 12 sind Isolier-

  ringe 14 gelegt. Durch ein Rohr 15 oder eine an-

  dere Vorrichtung kann ein Wasserstrom zum

  Kühlen des Ofenmantels und der Widerstands-

  enden zugeführt werden. Ein am oberen Teil des

  Mantels io angebrachtes Rohr 16 dient zur Ein-

  führung von Isoliermaterial und als Abzug für das

  in dem Rohr erzeugte oder sich in ihm ausdehnende

  Gas. Ein optisches Pyrometer kann zweckent-

  sprechend in diesem Rohr oder in einem andern

  Teil des Apparates angebracht werden.

  Jede Stirnwand 12 trägt in der Mitte eine zylin-

  drische Hülse 21, die mit eipem breiten Flansch 22

  versehen ist. Die Hülsen 21 dienen als Träger für

  einen Grapliitwiderstand 20, während die Flansche

  22 zusammen mit den Flanschen 13 das Benetzen

  der elektrischen Polklemmen durch Wasser ver-

  hindern. Der Graphitwiderstand 2o ragt nach

  außen über die Hülsen 21 hinaus und trägt an

  seinen beiden Enden die wassergekühlten Pol-

  klemmen 23, an die die Stromzuführungskabel 24

  angeschlossen sind. Die Abmessungen des Wider-

  standsrohres 20 werden gemäß den Temperatur-

  erfordernissen des Ofens gewählt. Für einen

  kleinen Ofen zur Herstellung von Borkarbid-

  gegenständen von den oben angegebenen Größen

  wird z. B. eine Belastung von 12 kW benötigt.

  Das Graphitwiderstandsrohr 20 wird mit pulver-

  förmigem Lampenruß 18 oder einem andern zweck-

  dienlichen Stoff umgeben, der nach Bedarf durch

  das Rohr 16 in den Ofen eingeführt wird. Dieser

  Stoff, der dieselbe chemische Beschaffenheit wie

  der Graphitwiderstand 2o hat, wird verwendet, um

  das Widerstandsrohr mit einer indifferenten

  Substanz zu umgeben und um sein Oxydieren zu

  verhindern. Alle darin eingeschlossene Luft wird

  in nichtoxydierende Gase verwandelt.

  Die in Fig. 2 in größerem Maßstabe gezeigte

  Form besteht aus einer zylindrischen Hülse 31,

  einem zylindrischen Graphitkern 32 und ring-

  förmigen Stirnwänden 33, die verschiebbar in der

  Hülse 31 untergebracht sind. Die Ringe 33 sitzen

  lose in der Hülse 31 und schließen genau und ,dicht

  um den hochpolierten Kern 32 und dienen als Druck-

  packung, die die Beanspruchung des Mittelkerns

  verringert.

  Um Druck auf die Borkarbidkörner während

  ihrer Erhitzung auszuüben, sind ein oder mehrere

  Kolben, z. B. 35, 36, die ebenfalls aus feuerfestem

  Stoff, vorzugsweise Graphit, bestehen, längs be-

  weglich im Widerstand 2o angeordnet. Gemäß

  Fig. i steht der eine Kolben 35 fest, ist aber mittels

  einer einen Rahmen 38 durchsetzenden, unter Ver-

  mittlung einer Isolierscheibe 56 auf ihn wirkenden

  Schraube 37 einstellbar, während der andere Kol-

  ben 36 unter dem Einfluß einer einen Vorschub-

  druck ausübenden Vorrichtung steht. Zwischen-

  kolbenblöcke 39 stehen mit den inneren Enden der

  Kolben in Berührung und passen mit Aussparun-

  gen 40 lose über die durch die Scheiben 33 ragen-

  den Enden des Kerns 32. Die Blöcke passen ferner

  genau und dicht in die Hülse 31 und wirken daher

  mit den Ringen 33 beim Zusammenpressen des Bor-

  karbids im Formraum zusammen. Alle Formteile

  und der Widerstand sind aus bestem Elektroden-

  graphit hergestellt und genau auf Größe bearbeitet.

  Soll ein massiver Gegenstand hergestellt werden,

  so kann die in Fig. 3 gezeigte Bauart der Form

  angewendet werden, die im allgemeinen der in

  Fig. 2 veranschaulichten ähnelt. Hier sind in den

  Widerstand 2o Kolben 42 eingepaßt, die mit

  Blöcken 43 vom, zweckentsprechem@der Form im Ein-

  griff stehen, die genau in die Enden der Hülse 44

  passen und den in ihr gebildeten Formraum stirn-

  seitig abschließen. Die Hülse 44 ist von einer wei-

  teren Hülse 45 umschlossen, die ihrerseits in das

  Widerstandsrohr 2o herausnehmbar eingesetzt ist.

  Die Kolben 42 bewegen die Kolbenblöcke 43 ein-

  wärts und drücken sie im Formraum 46 zusammen.

  Die Anwendung eines gemessenen Druckes und die Anzeige der Kolbenbewegung geschieht, wie in Fig. i ersichtlich, durch einen Hebel 5o, der ein entsprechendes Gewicht 51 trägt. Der Hebel ist um einen am Rahmen 38 befestigten Zapfen 52 drehbar und überträgt den Druck durch einen Arm 53 mit isolierendem Druckstück 55 auf den rechten Kolben 36. Dieser besitzt eine beträchtliche Berührungsfläche mit der Innenseite des Widerstandes 2o, kann jedoch zur Verringerung des Gleitwiderstandes mit einer Einschnürung 57 versehen werden. Um die Kolbenbewegung beobachten zu können, bildet eine Verlängerung 58 des Hebels 50 einen Zeiger, der über einer am Rahmen angebrachten Skala 59 spielt. Die Zeigerbewegung läßt sich auf Wunsch durch eine zweckentsprechende Vorrichtung so anhalten, daß eine bestimmte Raum- oder Gewichtsmenge von Körnern, die so errechnet worden ist, daß sie einen gewünschten Raumprozentsatz des Endproduktes einnimmt, zur tatsächlichen Einnahme dieses Volumens in dem geformten Körper gebracht wird, so daß die Porigkeit gleichfalls ein gewünschtes Volumen ausmacht.
• Die Kolbenbewegung läßt sich zum Anzeigen des Zustandes des Borkarbids während des Verdichtens und zur Temperaturmessung nutzbar machen. Dies ist veranschaulicht in Fig. 4, die zwei Kurven darstellt, deren untere, a, die Kolbenbewegung in einer bestimmten Zeitspanne, und deren obere, b, die vom Borkarbid während eines bestimmten Formverfahrens erreichte ungefähre Temperatur darstellt. Wie aus den Kurven hervorgeht, bewegt sich der Kolben zuerst sehr langsam einwärts, bis die Temperatur beinahe ihren Höchstwert erreicht hat, und dann schnell unter Verdichten der Masse. Danach bewegt sich der Kolben wieder nur sehr langsam, während die Temperatur leicht ansteigt oder im wesentlichen unverändert bleibt. Soll eine Höchstdichte des Gegenstandes erreicht werden, so kann die Erwärmung beibehalten werden, bis der Kolben praktisch stillsteht, wie durch die punktierte Linie c veranschaulicht. Dann kann der Heizstrom ausgeschaltet werben. Bei dieser Höchstdichte c hat die Temperatur ungefähr 2300°, möglicherweise sogar den _ Sahanelzpunkt des Borkarbids erreicht.
• Zwecks sehr genauer Kontrolle der Temperatur und des den Borkarbidgegenstand verdichtendenDruckes beobachtet man die Bewegung des Zeigers 58, um, wenn die Kolbenbewegung sich verlangsamt oder praktisch aufgehört hat, den Strom auszuschalten und den Ofen schnell durch den Wasserstrom abzukühlen, so daß ein weiteres Erhitzen des Borkarbids und seine weitere Annäherung an den Schmelzpunkt verhindert wird. Daraus, daß die Temperaturkurve auch in ihrem höchsten Punkt noch eine leichte Steigung aufweist, geht hervor, daß die Masse noch nicht den flüssigen Zustand erreicht hat.
• Der so geformte Körper besitzt eine Reinheit von über 99% B4 C und besteht aus einer im wesentlichen kontinuierlichen Phase von Borkarbid. Bei einer Dichte von 2,3 oder mehr ist die Masse von metallartigem Aussehen und ist hochglanzpol,ierfäh,ig. Ihr Druckfestigkeitswert liegt über 7ooo kg/cm2.
• Will man einen porigen oder schwammigen Gegenstand 'herstellen, so kann man eine gröbere Körnung verwenden, während die Druck- und Temperaturverhältnisse so geregelt werden, daß die größeren Körner sich zwar ein ihren Berührungsflächen verbinden, jedoch zwischen sich einen gewünschten Porenraum belassen.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verwendung eines Werkstoffes aus 77 bis -800/0 Bor und 23 'bis 20% Kohlenstoff, die in der Hauptsache als B4 C gebunden sind, ohne Zumischung eines Bindemittels zur Herstellung gesinterter harter Gebrauchsgegenstände, wie Strahldüsen, Ziehsteine, Schneidwerkzeuge und Lager.
2. 2. Verfahren zur Herstellung der in Anspruch i genannten Gegenstände, dadurch gekennzeichnet, daß das Borkarbidpulver (B4 C) unter Druck bis zu seiner Erweichung auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes, vorzugsweise in neutraler Atmosphäre, erhitzt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das B4 C, sobald es in der Form auf die gewünschte Dichte zusammengepreßt ist., schnell abgekühlt wird. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 2o6 177, 289 864, 456921, 504484, 513445; österreichische Patentschrift Nr. 133 i24.