DK165177B

DK165177B - Fremgangsmaade til fremstilling af et inhomogent, sintret legeme

Info

Publication number: DK165177B
Application number: DK035286A
Authority: DK
Inventors: Lars-Erik Svensson; Ove Thornblad
Original assignee: Hoeganaes Ab
Priority date: 1984-05-24
Filing date: 1986-01-23
Publication date: 1992-10-19
Also published as: EP0226575A1; ES8609180A1; SE8402811L; ES543427A0; EP0226575B1; DK35286A; JPS61502185A; US4659547A; DE3573769D1; DK165177C; JPH0475872B2; WO1985005352A1; SE8402811D0; DK35286D0; SE442487B

Description

i

DK 165177B

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af et inhomogent, sintret legeme ved forening af metalpulver med ildfast keramisk pulver ved normale pulvermetallurgiske tryk og sintringsbetingelser.

5 Den pulvermetallurgiske fremstillingsteknik er karakteristisk ved fremstilling i lange serier af dele med stor dimensionsnøjagtighed. Fremstillingskæden starter med blanding af et metalpulver, f.eks. jernpulver, hvortil der eventuelt er sat pulverformige legeringsmidler, med 10 et smøremiddel til lettelse af den påfølgende sammenpresningsoperation. Ved denne operation sammenpresses pulverblandingen til et formet råemne, hvis form nøje eller fuldstændigt svarer til formen af det færdige emne. Råemnet opvarmes og holdes derpå ved en temperatur, ved hvilken 15 det ved sintring opnår dets slutegenskaber såsom styrke og sejhed.

Seriefremstilling af i tør tilstand sammenpressede ildfaste keramiske materialer udviser adskillige ligheder med den pulvermetallurgiske fremstillingsteknik. Ved frem-20 stilling på basis af jernpulver finder sintring normalt sted indenfor temperaturområdet fra 1000 til 1300°C. I tilfælde af mere lavtsmeltende metaller og legeringer, f.eks. aluminium og bronze, ligger sintringstemperaturen sædvanligvis mellem 500 og 900°C. Når der fremstilles pulverkom-25 primeret ildfast keramisk materiale, finder sintringen imidlertid sted indenfor temperaturområdet fra 1400 til 1700°C.

Ildfaste materialer er i kombination med metaller, f.eks. som varmeskjold eller -afskærmning, af betydelig 30 stor interesse. Vanskeligheden ved at forene det ildfaste materiale med metallet på en holdbar måde ligger i det forhold, at de involverede materialer normalt har forskellig udvidelseskoefficient. Foreningen kan da gennemføres under anvendelse af f.eks. forsænkede bolte, der imid-35 lertid ved anvendelse under mekanisk belastning blandt andet 2

DK 165177 B

kan resultere i uegnet høj vægt til opnåelse af den nødvendige styrke. Det er også muligt at gennemføre foreningen under anvendelse af en lim eller et klæbestof, men det er da nødvendigt, at opvarmning ikke kan finde sted 5 udover limens varmeresistens. Såfremt der anvendes uorganisk lim, f.eks. vandglas, i sådanne tilfælde, hvor de keramiske materialer forventes at blive udsat for eri forholdsvis høj temperatur, er der en åbenbar risiko for, at forskellige udvidelseskoefficienter vil bevirke svigt .

10 af de keramiske materialer. Endvidere resulterer det store antal operationstrin ved denne fremstilling i høje omkostninger. Andre kendte metoder består f.eks. i lodning på keramiske materialer. Dette er en arbejdskrævende metode, der kræver stor nøjagtighed og mindst syv forskel- ' 15 lige operationstrin. Endvidere kræves det, at kornstørrelsen af loddepulveret skal være mindre end 1 micron.

Ifølge opfindelsen har det imidlertid nu vist sig, at det er muligt ved pulverkomprimering og påfølgende sintring på enkel måde at opnå en overraskende god binding 20 mellem keramisk materiale og metal. Opfindelsens enkelhed består blandt andet deri, at det hår vist sig at være muligt i ét enkelt trin at sammenpresse det keramiske pul~ ver og metalpulveret (f.eks. jernpulveirj . Sammenpresningen kan finde sted ved så lave tryk som ca. 0,5 ton pr. cm , 25 og høj styrke kan opnås også i den keramiske del ved en så lav temperatur som 800°C.

Dette opnås ved fremgangsmåden ifølge- opfindelsen, der er af den ovenfor angivne art og er ejendommelig ved, at det sintrede legeme fremstilles ved i et enkelt trin at 30 sammenpresse ét lag eller flere lag med forskellige blandingsforhold mellem de anvendte keramiske materialer og metal, og at der i den keramiske del og i blandingszonen tilblandes monoaluminiumphosphat eller aluminiumoxid (eller aluminiumhydrat) og phosphorsyre (eller tør phosphorsyre).

35 3

DK 165177 B

O

Der eksisterer to delvis overlappende problemer, som det har været nødvendigt at løse ved hjælp af den foreliggende opfindelse. Dilatationskurverne for metaller og keramiske materialer afviger almindeligvis kraftigt 5 fra hverandre. Det har vist sig, at den ødelæggende virkning af dette forhold kan elimineres, når man som en bindingsfase mellem et keramisk lag og et metallag anvender et enkelt eller flere lag af en blanding af de involverede bestanddele. Den fraktion af metal eller keramisk materia-10 le, der skal være til stede i blandingen, er fuldstændigt afhængig af anvendelsesområdet og af, hvorvidt blandingen skal bindes til keramisk materiale og/eller metal. Det er åbenbart, at sintrede legemer også kan fremstilles i overensstemmelse med opfindelsen i kun et enkelt lag, og 15 hvor mængden af de involverede bestanddele kan reguleres af anvendelsesområdet. Ved den temperatur, der kan tåles af metaldelen af det sintrede legeme, sintres det ildfaste keramiske materiale kun dårligt. Det har imidlertid vist sig muligt at modificere det keramiske materiale, der er 20 involveret, på en sådan måde, at den nødvendige styrke vil blive opnået under sintringen. Dette kan opnås på to måder, nemlig enten ved tilsætning af aluminiumoxid eller aluminiumhydrat og phosphorsyre eller tør phosphorsyre og en passende mængde vand, eller ved tilsætning af monoalumi-25 niumphosphatopløsning eller monoaluminiumphosphat og vand, idet sådant tilsat materiale danner et effektivt bindemiddel mellem metal og keramisk materiale.

Opfindelsen illustreres nærmere i det følgende, hvor der gøres rede for forsøg, der er blevet gennemført under 30 anvendelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen, samt de herved opnåede, uventede resultater.

Eksempel 1.

En blanding, der betegnes blanding A, fremstilles 35 som følger. 600 Gram aluminiumoxidpulver med en maksimal partikelstørrelse på 400 pm og 350 gram aluminiumoxid 4

DK 165177 B

O

pulver med en maksimal partikelstørrelse på 45 μια sammenblandes grundigt med 50 gram 80%'s phosphorsyre.

500 Gram af den som ovenfor beskrevet fremstillede blanding sammenblandes med 500 gram jernsvamppulver med en 5 maksimal partikelstørrelse på 147 μιη. Den således fremstillede blanding betegnes blanding B i det følgende.

En blanding C bestående af følgende bestanddele fremstilles: 990 gram jerns vamppul ver med en maksimal partikelstørrelse på 147 μιη og 10 gram zinkstearatpulver 10 med en maksimal partikelstørrelse på 147 μπι.

Af hver af blandingerne A-C fremstilles der prøvelegemer med dimensionerne*· diameter 25 mm og højde 25 mm, ved presning ved et tryk på 200 MPa, varmebehandling i en fordampningsovn ved 300°C i et tidsrum på 15 minutter i 15 neutral atmosfære, og legemerne sintres derpå ved en temperatur på 1050°C i 30 minutter i en ikke-oxiderende atmosfære.

Dilatationsprocessen bestemmes derpå for prøvelegemerne, der er fremstillet som ovenfor beskrevet, i temperaturområdet fra 20 til 600°C. Resultatet, der er angivet 20 på tegningen i figur 1, viser overraskende, at dilatationsprocessen for det prøvelegeme, der er fremstillet ud fra blanding B, svarer betydeligt nøjere til dilatationsprocessen registreret for prøvelegemet fremstillet ud fra blanding A end til processen for prøvelegemet fra blanding C, til.

25 trods for den kendsgerning, at blanding B udgøres af de samme vægtdele af blanding A og C.

Eksempel 2.

Fire pulverblandinger, D, E, F og G, med sammensæt-30 ninger som angivet i det følgende, fremstilles:

Blanding D: 90% aluminiumoxidpulver med en maksimal partikelstørrelse på 150 μπι, 5,0% monoaluminiumphosphatopløsning, 5,0% carbon-dannende organisk pulver.

35 Blanding E: 50,0% af blanding D, 50,0% jernsvamppulver med en maksimal partikelstørrelse på 210 μπι·,

O

DK 165177B

5

Blanding F: 95,0% aluminiumoxidpulver med en maksimal partikelstørrelse på 150 pm, 5,0% carbon-dannende organisk pulver.

Blanding G: 50,0% af blanding F, 5 50,0% af et jernsvamppulver med en maksimal par tikelstørrelse på 210 pm.

Prøvelegemer med dimensionerne: diameter 25 mm og højde 25 mm presses i to lag ved et tryk på 90 MPa. Sammensætningen af prøvelegemerne fremgår klart af den følgende 10 tabel:

Prøvelegeme I;

Lag 1: bestående af pulver fra blanding D.

Lag 2: bestående pulver fra blanding E.

15 Prøvelegeme II:

Lag 1: bestående af pulver fra blanding F.

Lag 2: bestående af pulver fra blanding G.

Prøvelegemerne sintres ved 900°C i 20 minutter i 20 en neutral beskyttende gasatmosfære.

De således fremstillede prøvelegemer undersøges med hensyn til kompressionsstyrke. For forsøgslegeme II måles der en total belastning ved brud på 190 N, medens forsøgslegeme I stadig er sammenhængende ved en belastning på 25 5 5 0 0 N, idet undersøgelsen her afbrydes. Endvidere under søges prøvelegemerne under mikroskop, hvorved det er klart, at den signifikant bedre styrke, der måles ‘for prøvelegeme I, er et resultat af den kendsgerning, at tilsætningen af monoaluminiumphosphat tilvejebringer sintringsbindinger 30 mellem de keramiske partikler, men også, hvilket er en fuldkommen overraskende virkning, tilvejebringer sintringsbindinger mellem de keramiske partikler og metalpartiklerne. Resultaterne af de her beskrevne forsøg viser, at bindingen mellem keramisk materiale og metal kan forbedres væsentligt 35 ved anvendelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen.

O

DK 165177B

6

Eksempel 3.

Multilags-prøvelegemer fremstilles med den sammensætning, der fremgår af det følgende:

Prøvelegeme III: 5 Lag 1: bestående af 92,0¾ aluminiumoxidpulver og 8,0% tør phosphorsyre '+ eri passende mængde vand til dannelse af monoaluminiumphosphat.

Lag 2: bestående af 46,0% aluminiumoxidpulver og 4,0% tør phosphorsyre + vand i overensstemmelse med det oven-10 stående og 50,5% jernpulver med en maksimal partikel størrelse på 400 pm.

Lag 3: bestående af 96,0% jernpulver med en maksimal partikelstørrelse på 400 pm og 3,5% carbon-dannende organisk pulver med en partikelstørrelse på mindre 15 end 400 Mm samt 0,5% zinkstearatpulver.

Prøvelegeme IV:

Lag 1: bestående af 95,0% aluminiumoxidpulver og 5,0% monoaluminiumphosphatopløsning.

Lag 2: bestående af 71,0% aluminiumoxidpulver og 5,0% monoaluminiumphosphatopløsning samt 24,0% jernpulver.

Lag 3: bestående af 70,0% jernpulver og 25,0% aluminiumoxidpulver samt 5,0% monoaluminiumphosphatopløs- 25 nlng*

Lag 4: bestående af 99,3% jernpulver og 0,7% 2inkstearat-pulver.

Prøvelegemerne presses ved 500 MPa, varmebehandles i fordampningsovn og sintres ved 1120°C i 30 minutter i en 3Q beskyttende gasatmosfære. Dilatationskurverne for prøve-legemerne måles.· Det resultat, der er vist i figur 2, viser, at dilatationsprocessen for multilags-legemer fremstillet ifølge opfindelsen svarer meget nøje til dilatationsprocessen for pressede og sintrede keramiske materia- 35 ler· .

DK 165177 B

7

O

Prøvelegemerne undersøges endvidere under mikroskop, hvor det kan iagttages, at der opnås god binding mellem de keramiske materialer og metal, og hvor der ikke kan iagttages dannelse af revner mellem keramiske partikler og metal-5 partikler.

Ved en preliminær test for modstandsdygtighed mod varmechok opvarmes prøvelegemerne med en svejsebrænder på metallaget til rødglødhede og bratkøles derpå i vand.

Forsøget gentages, indtil alle prøvelegemerne er sønder-10 delt. Ingen af prøvelegemerne udviser forøget tendens til dannelse af revner ved laggrænserne.

I de i nærværende beskrivelse anførte eksempler til illustration af opfindelsen er der anvendt aluminiumoxid og jernpulver. Forsøg har imidlertid vist, at det keramiske 15 materiale lige såvel kan være aluminiumsilicater, magne-sium-aluminium-silicater, zirconiumoxider, zirconiumsili-cater, orthosilicater, siliciumcarbider og slagger. Opfindelsen er heller ikke begrænset til jernpulver og legeringer deraf, idet der også kan anvendes andre metaller, 20 f.eks. aluminium, kobber, nikkel, chrom, molybden eller mangan samt legeringer deraf.

Det har ved yderligere forsøg også vist sig, at det til visse anvendelser er muligt som bindemiddel at anvende også andre sure phosphatsalte af di- eller triva-25 lente metaller.

Den i det efterfølgende krav 1 anvendte ordlyd "eller flere lag med forskellige blandingsforhold mellem de anvendte keramiske materialer og metal" skal også dække et sammensat legeme, hvori det nævnte forhold varie-30 rer kontinuerligt over et tværsnit af legemet, f.eks. fra en side af det til den anden. Med andre ord udgøres denne udførelsesform af infinitesimalt tynde lag. I et ekstremt tilfælde kan legemet således på den ene side deraf bestå af metal, medens den modsatte side består af keramisk ma-35 teriale.

O

DK 165177B

8

Med hensyn til det anvendte bindemiddel er nærværelsen af vand betydningsfuld. I det mindste én af bestanddelene af bindemidlet kan således tilsættes i form af en opløsning. Alternativt kan tørt materiale suppleres 5 med eksternt vand. Mængden af bindemiddel (baseret på faste stoffer deri) er ikke specielt kritisk, men udgør hensigtsmæssigt op til ca. 10 vægtprocent, beregnet på vægten af det sammensatte legeme.

Den nedre grænse bestemmes af den mængde, der er 10 nødvendig til effektiv binding. En mængde på ca. 1% er almindeligvis nødvendig, og der anvendes sædvanligvis mindst ca. 2 eller 3 vægtprocent.

15 20 , 25 30 35

Claims

1. Fremgangsmåde til fremstilling af et inhomogent, sintret legeme ved forening af metalpulver med ildfast keramisk pulver ved normale pulvermetallurgiske tryk og sin- 5 tringsbetingelser, kendetegnet ved, det sintrede legeme fremstilles ved i et enkelt trin at sammenpresse ét lag eller flere lag med forskellige blandingsforhold mellem de anvendte keramiske materialer og metal, og at der i den keramiske del og i blandingszonen tilblandes monoaluminium- 10 phosphat eller aluminiumoxid (eller aluminiumhydrat) og phosphorsyre (eller tør phosphorsyre).

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at sintringen finder sted ved en temperatur på fra 800-1350°C, fortrinsvis 1000-1250°C.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kende tegnet ved, at pulverpresningen finder sted ved et 2. tryk på 0,5-10 t/cm , fortrinsvis 1-5 t/cm .

4. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1-3, kendetegnet ved, at sintringen finder sted i et 20 tidsrum på mindst 10 minutter i en ikke-oxiderende atmosfære.

5. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1-4,. kendetegnet ved, at metalpulveret indeholder ét eller flere af grundstofferne jern, aluminium, kobber, nikkel, molybden, ohrom og mangan.

6. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1-5, kendetegnet ved, at metalpulveret yderligere indeholder ét eller flere af grundstofferne carbon, phosphor og silicium.

7. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1-6, 30 kendetegnet ved, at det keramiske materiale indeholder ét eller flere af de følgende keramiske materialer: aluminiumsilicater, magnesium-aluminium-silicater, zirconium-oxider, zirconiumsilicater, orthosilicater, siliciumcarbi-der og slagger. 35