DE1204204C2 - Verfahren zum Verdichten von in Teilchenform vorliegenden Stoffen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Int. α.:

BOIj

Deutsche KL: 12 g -1/01

Nummer:

Aktenzeichen:

Anmeldetag:

1 204 204
E 22289IV a/12 g
23. Januar 1962
4. November 1965
2. Juni 1966.

Auslegetag:

Ausgabetag:

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten von in Teilchenform vorliegenden Stoffen, besonders von pulver- und/odey faserförmigen Stoffen, z. B. von pulverförmigen Metallen oder Metallcarbiden, unter hohem Druck.

Feststoffkörper werden aus Pulvern und/oder Fasern gewöhnlich durch Pressen und Sintern, durch Warmpressen, durch Pressen und Einsickerung von geschmolzenen Stoffen, durch Flammspritzen oder durch Anwendung der Schlickergießtechnik und Brennen hergestellt. Die so erhaltenen Körper haben jedoch auf Grund von Hohlräumen zwischen den Körnchen und Teilchen gewöhnlich eine geringere Dichte als die Pulver und Fasern, aus denen sie hergestellt wurden.

Die Verwendung von Gesenken zum Verdichten dieser porösen Körper ist nicht ganz zufriedenstellend, da der Druck nicht nach allen Richtungen gleich ist und man daher keine gleichmäßigen Dichten erhält. Die Anwendung eines hydrostatischen Druckes führt zwar zur Einwirkung eines nach allen Richtungen gleichen Druckes, aber beim Verdichten der porösen Körper mittels direkten hydrostatischen Druckes, d.h. wenn die hydrostatische Flüssigkeit mit dem Werkstück in Berührung steht, tritt Flüssigkeit in die Poren ein, so daß keine Verdichtung stattfindet und außerdem beim Entlasten des Druckes eine Sprengung des Körpers eintreten kann. Es ist auch bekannt, sich zum Pressen pulverförmiger Stoffe eines Gummibehälters zu bedienen (vgl. deutsche Patentschrift 958 261). Solche Behälter sind zwar bei niedrigeren hydrostatischen Drücken ausreichend, nicht dagegen bei hohen Drücken.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten von in Teilchenform vorliegenden Stoffen besteht darin, daß man die Teilchen in einen Mantel aus einem unelastischen Werkstoff einschließt, der eine hohe Komprimierbarkeit aufweist und bei einem bestimmten Druck eine plötzliche Dichtezunahme erleidet, und anschließend auf den Mantel einen hydrostatischen Druck ausübt, der mindestens so hoch ist wie der zur plötzlichen Dichtezunahme des Mantelwerkstoffes erforderliche Druck, worauf man den Mantel von der verdichteten Masse entfernt.

Dieses Verfahren gestattet die Anwendung höherer als der bisher üblichen hydrostatischen Drücke, ohne daß Flüssigkeit in den verdichteten Körper eindringen kann. Das Produkt weist eine hohe Dichte auf, die mit der Dichte desselben Materials, das auf »nicht porösem« Wege, d. h. ohne Verwendung eines Pulvers oder von Fasern als Ausgangsgut, hergestellt wird, vergleichbar ist.

Verfahren zum Verdichten von in Teilchenform
vorliegenden Stoffen

Patentiert für:

Engelhard Industries, Inc., Newark, N. J.
(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Pienzenauer Str. 28

¹S Als Erfinder benannt:

Alfred R, Bobrowsky, Livingston, N. J.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 23. Januar 1961 (83 989)

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der in Teilchenform vorliegende Stoff vor dem Einschließen in den Mantel durch einen Vorverformungsvorgang in eine poröse, zusammenhängende Masse übergeführt, die bereits die Form des Endproduktes aufweist.

Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird die Vorpressung und Vorverformung weggelassen und der pulver- und/oder faserförmige Stoff unmittelbar in den Mantel eingeschlossen und verdichtet. Die poröse Masse wird beispielsweise in den Mantel eingeschlossen, indem man in die Mantelwand an der Oberseite eine Öffnung schneidet, die Teilchen hineinschüttet und dann die Öffnung mit einem Einsatz und einem Dichtungsmittel aus dem gleichen Werkstoff, aus dem der Mantel besteht, verschließt. Durch die Ausübung des hohen hydrostatischen Druckes auf den Mantel wird die poröse Pulvermasse zu einer zusammenhaftenden Masse von hoher Dichte verdichtet. Diese zusammenhaftende Masse kann dann in die jeweils gewünschte Form gebracht werden, z. B. durch Stanzen oder Schneiden.

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Mantel aus einem Werkstoff verwendet, dessen Komprimierbarkeit höher ist als diejenige der vorverformten Masse oder sogar höher als diejenige des verdichteten Endproduktes.

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Der Mantelwerkstoff soll ferner beim Anlegen oder Entlasten des Druckes die poröse Masse nicht schädlich beeinflussen. Wenn der Mantel aus der Schmelze auf die poröse Masse aufgebracht wird, soll ein merkliches Eindringen in die poröse Masse vermieden werden, was man, wenn notwendig, durch Zusatz von nicht benetzenden Mitteln, z. B. Schmieröl, zur Masse erreichen kann.

Mantelwerkstoffe, die bei einem bestimmten höheren Druck eine plötzliche Verdichtung oder Volumenverminderung erfahren, sind z. B. Cer, Caesium, Wismut und niedrigschmelzende Wismutlegierungen, wie Legierungen aus 40% Wismut und 60% Blei, aus 50% Wismut und 50% Blei oder aus 55% Wismut und 45% Blei, ferner Silberlot, eine Legierung aus 70% Thallium und 30% Indium oder eine Legierung aus 97,5% Thallium und 2,5% Zinn. Bevorzugt werden solche Mantelwerkstoffe, bei denen die plötzliche Verdichtung bei Drücken eintritt, die in einem für die hydrostatische Presse geeigneten Arbeitsbereich liegen. In manchen Fällen ergibt sich die Verdichtung aus einer polymorphen Umwandlung der Kristallstruktur in eine dichtere Kristallstruktur. In anderen Fällen dürfte die plötzliche Verdichtung auf dem Wechsel eines Elektrons von einer äußeren auf eine näher beim Atomkern liegende Elektronenschale beruhen, und in wieder anderen Fällen tritt eine plötzliche Verdichtung unter Umständen ein, die nicht völlig geklärt sind. In der folgenden Tabelle sind für drei Elemente die Drücke aufgeführt, bei denen eine plötzliche Verdichtung eintritt.

Element	Druck (at)
Cer	7 600 25 000 44 000'
Wismut Caesium

Die Volumenänderungen sind verhältnismäßig groß; sie betragen beim Wismut etwa 9 % und beim Caesium etwa 11%· Vorzugsweise besteht der Mantelwerkstoff aus einer niedrigschmelzenden Wismutlegierung, z. B. aus einer Legierung aus 52% Wismut, 32% Blei und 16% Zinn mit einem Schmelzpunkt von 95° C. Da der Mantel bei hohem Druck eine plötzliche Verdichtung erfährt, wird der eingeschlossene poröse Körper einem verstärkten Druck unterworfen, der wesentlich höher als der auf den Mantel ausgeübte Druck ist.

Der bei der Vorpressung erhaltene poröse, verdichtete Körper aus dem pulver- und/oder faserförmigen Stoff kann in den Mantel eingeschlossen werden, indem man den Körper mit dem Mantel umgießt, indem man die beiden Hälften eines vorher gegossenen Mantels um den Körper herum anordnet und die Nahtstellen verschweißt oder indem man das einzuschließende Gut in einen vorher gegossenen Mantel durch eine Öffnung einführt und diese dann verschließt.

Gemäß der Erfindung werden hydrostatische Drücke über 10 000 at, insbesondere Drücke von etwa 20 000 bis 60 000 at bevorzugt. Bei der Vorpressung und Vorformung genügen Drücke, bei denen der pulverförmige Stoff zu einer zusammenhaftenden Masse verdichtet wird. Die Einwirkungsdauer des hydrostatischen Druckes kann von etwa einer Sekunde bis zu einer Stunde oder mehr reichen.

Vor der Vorpressung und -Vorformung nach der bevorzugten Ausführungsform kann dem Pulver ein Bindemittel beigemischt werden. Beispiele für solche Bindemittel sind Kupfer für Wolframfasern und Kobalt zum Binden von Carbiden, wie Titancarbid.

Zur Anwendung des hydrostatischen Druckes wird die zu verdichtende, ummantelte Probe in den Preßzylinder oder die Preßkammer einer herkömmlichen

ίο hydrostatischen Druckvorrichtung eingesetzt. Der höchste mit dieser Vorrichtung erzielbare Druck kann unter dem zur gewünschten Verdichtung erforderlichen Druck liegen; durch die Verwendung des Mantels, der eine hohe Komprimierbarkeit aufweist und bei einem bestimmten hohen Druck eine plötzliche Verdichtung erfährt, werden höhere Drücke erzielt, als sie mit den herkömmlichen Vorrichtungen erzielt werden können.

Nach dem Verdichten kann der Mantel von dem verdichteten Körper abgeschmolzen werden. Die Entfernung kann auch auf andere Weise, z. B. durch Schneiden, Auflösen, Verdampfen, Abkühlen bis zur Versprödung und Zerbrechen oder durch Abschleifen erfolgen.

Zu den erfindungsgemäß verdichtbaren Stoffen gehören pulver- und/oder faserförmige Metalle und Nichtmetalle. Zu den Metallen gehören die Eisenmetalle, Hochtempejratur-Legierungen, wie Nickel und Chrom enthaltende Legierungen, z. B. eine Legierung aus 78,75% Nickel, 14% Chrom, 7% Eisen, 0,2 °/₀ Kupfer und 0,05% Kohlenstoff, oder Kobalt-Chrom-Nickel-Molybdän-Legierungen, z. B. eine Legierung' aus 51,6% Kobalt, 26% Chrom, 15% Nickel, 6% Molybdän, 1% Eisen und 0,4% Kohlenstoff, ferner Lagermetalle, wie Bronzen und Graphit enthaltende Bronzen. Zu den pulver- und/ oder faserförmigen Nichtmetallen gehören beispielsweise Carbide, z. B. mit Kobalt gebundenes Titancarbid, Wolfram-Titan-Carbid (ohne Bindemittelzusatz) und Siliciumcarbid. Andere pulver- und/oder faserförmige nichtmetallische Stoffe, die gemäß der Erfindung verdichtet werden können, sind Oxyde, z. B. Aluminiumoxyd, Lanthanoxyd, Berylliumoxyd und Magnesiumoxyd, Sulfide, Telluride oder Selenide der Lanthaniden, Wismuttellurid, Bleitellurid, Bleiselenid und Galliumarsenid, Silicide, z. B. MoSi₂, Boride, z. B. Chromborid, und Nitride, z. B. Bornitrid. Diese Stoffe haben, wenn sie zu Beginn des Verfahrens in Pulverform, d. h. in Form feiner, frei fließender (rieselfähiger) Teilchen vorliegen, eine typische Teilchengröße von etwa 15 bis 150 μ. Wenn sie in Faserform vorliegen, haben sie Durchmesser von 0,25 mm und darunter. Weitere metallische Fasern, die verdichtet werden können, sind Metalle in Form von »Whiskers«, ζ. B. in Kupfer dispergierte Platin-»Whiskers«. Ein solches Material wird erhalten, indem man das Kupfer schmilzt, die Platin- »Whiskers« der Schmelze zufügt und bis zum Erstarren des Kupfers abkühlt. Der Ausdruck »Whiskers« ist in einem Aufsatz »Metals Reinforced with Fibers« in »Metal Progress«, September 1960, S. 118 bis 121, und in »Materials in Design Engineering«, September 1960, S. 134, erläutert. Weitere faserförmige Nichtmetalle, die gemäß der Erfindung verdichtet werden können, sind keramische Fasern, vorzugsweise solche mit hoher Zugfestigkeit, z. B. in einer Kobalt-Chrom-Legierung dispergierte Saphir-(Aluminiumoxyd-) Fasern. Die Herstellung dieses

Materials erfolgt ähnlich wie die Herstellung von Platin-»Whiskers« in Kupfer.

Die Anwendung von hohem hydrostatischem Druck auf ein kristallines Material gemäß der Erfindung, z. B. auf metallisches kristallines Material, z. B. Eisenmetalle, führt zu bedeutenden und dauernden Änderungen von Eigenschaften dieser Materialien. Zum Beispiel werden die Kriechfestigkeit und Härte des Eisens für dauernd stark erhöht.

Die Auswirkung des hohen hydrostatischen Druckes könnte in einer Vergrößerung der Anzahl der Störungen im Kristallgitter des Materials bestehen. Störungen sind Fehlerstellen im Kristallgitter; sie sind im einzelnen in A. H. C ο 11 r e 11, »Dislocations and Plastic Flow in Crystals«, Oxford, Clarendon Press, 1953, beschrieben. Nach der Theorie beeinflussen die Zahl und Form derartiger Störungen gewisse Materialeigenschaften, wie Härte, Kriechfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit, während gewisse andere Eigenschaften, wie der Elastizitätsmodul, keinerlei größere Beeinflussung erfahren.

Beispiel 1

Nach einer spezifischen Ausführungsform wird ein pulverförmiges Metall, wie gepulvertes Eisen, im Gesenk gepreßt und verformt. Dann wird die poröse Masse mit einem Mantel aus einer Wismut-Blei-Zinn-Legierung mit einem Schmelzpunkt von 95⁰C umgössen. Das Produkt wird dann in der Preßkammer einer herkömmlichen hydrostatischen Druckvorrichtung angeordnet. Auf den Mantel wird nun ein ultrahoher hydrostatischer Druck von mehr als 15 000 at ausgeübt, wodurch der Mantel sowohl einer kontinuierlichen als auch einer plötzlichen Verdichtung oder Volumenverminderung unterliegt. Das Ergebnis ist eine hohe, dauernde Verdichtung der porösen Eisenmasse, wodurch die Körnchen der porösen Masse in einem merklichen Grade kalt verschweißt werden.

Der Mantel wird dann von dem verdichteten Eisen abgeschmolzen. Das erhaltene, verdichtete Produkt weist eine sehr hohe Dichte auf und ist einem Produkt, das aus demselben Material auf »nicht porösem Wege« erhalten wird, weitgehend vergleichbar oder überlegen.

Gemäß der Erfindung können z. B. Verschleißzapfen, Turbinenschaufeln, Maschinenbolzen und Bestandteile für Elektronenröhren hergestellt werden.

Beispiel 2

Ein inniges Gemisch aus 80 Gewichtsprozent Wolframcarbidpulver und 20 Gewichtsprozent Kobaltpulver (Korngröße unterhalb 0,074 mm) wird durch Vorpressen in die gewünschte Form gebracht und dann bei 1000⁰C gesintert. Um den verdichteten Formkörper herum wird ein Mantel aus Silberlot bis zu einer allseitigen Mindestdicke von etwa 3,2 mm gegossen. Das Silberlot besteht aus 50 Gewichtsprozent Silber, 15,5 Gewichtsprozent Kupfer, 16,5 Gewichtsprozent Zink und 18 Gewichtsprozent Cadmium und schmilzt bei 627⁰C. Der ummantelte Formkörper wird bei 400⁰C unter einen hydrostatischen Druck von 25 000 at gesetzt. Nach dem Öffnen der Presse wird der Mantel abgeschmolzen. Der so erhaltene Carbidkörper wird mit Hilfe eines Diamantschleifrades zur Form eines Schneidwerkzeuges fertiggeschliffen. Dieses Werkzeug besitzt eine sehr hohe Lebensdauer bei der Bearbeitung von harten Stahllegierungen in der Drehbank.

B eis pie I 3

Ein inniges Gemisch aus 20 Gewichtsprozent a-Aluminiumoxydpulver (Korngröße 0,048 bis 0,053 mm) und 80 Gewichtsprozent reinem Eisenpulver (Korngröße 0,125 bis 0,149 mm) wird in einem Kautschukmantel durch Einwirkung eines hydrostatischen Druckes von 1760 at zu einem Zylinder vorgeformt. Nach dem Entfernen des Kautschukmantels wird der Zylinder 4 Stunden bei 1200⁰C gesintert. Um den Zylinder herum wird ein Mantel aus Silberlot gemäß Beispiel 2 * gegossen. Der ummantelte Formkörper wird 24 Stunden bei 400⁰C einem hydrostatischen Druck von 25 000 at ausgesetzt. Das Produkt ist ein fester metallkeramischer Formkörper und eignet sich besser als Eisen zur Verwendung in Schneidwerkzeugen.

Beispiel 4

Ni₂B-Pulver und CaB_e-Pulver werden gesondert verdichtet und dann bei 1000⁰C gesintert. Die beiden verdichteten Formkörper werden in Silberlotmäntel gemäß Beispiel 2 eingeschlossen. Die Verdichtung der ummantelten Formkörper erfolgt bei 500⁰C und 20 000 at. Die beiden Produkte besitzen ausreichende Festigkeit, um beim Handhaben nicht zu zerbröckeln, und eignen sich zur Anwendung als Desoxydationsmittel für Metalle.

Beispiel 5

Aluminiumsilicatfasern werden in Längen von etwa 6,3 mm geschnitten und dann mit der vierfachen Gewichtsmerige Bariumcarbonatpulver mit Korngrößen unter 0,15 mm gemischt. Das Gemisch wird in einem Kautschukmantel unter einem hydrostatischen Druck von 1760 at zu einem Zylinder vorgeformt. Der Mantel wird entfernt und der Zylinder 6 Stunden bei 1000° C gesintert. Um den gesinterten Formkörper herum wird nun gemäß Beispiel 2 ein Mantel aus Silberlot gegossen, worauf das Ganze 24 Stunden bei 400⁰C einem hydrostatischen Druck von 25 000 at ausgesetzt wird. Als Produkt erhält man ein keramisches Material, welches sich für alle Verwendungszwecke eignet, bei denen es auf hohe Festigkeit und Oxydationsbeständigkeit bis hinauf zu etwa 1300⁰C ankommt.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verdichten von in Teilchenform vorliegenden Stoffen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Teilchen in einen Mantel aus einem unelastischen Werkstoff einschließt, der eine hohe Komprimierbarkeit aufweist und bei einem bestimmten Druck eine plötzliche Dichtezunahme erleidet, und anschließend auf den Mantel einen hydrostatischen Druck ausübt, der mindestens so hoch ist wie der zur plötzlichen Dichtezunahme des Mantelwerkstoffes erforderliche Druck, worauf man den Mantel von der verdichteten Masse entfernt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mantel aus einem Werkstoff verwendet wird, dessen Komprimierbarkeit höher ist als diejenige des verdichteten Endproduktes.

"

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den in Teilchenform vorliegenden Stoff vor dem Einschließen in den Mantel durch einen Vorverformungsvorgang in eine poröse, zusammenhängende Masse überführt, die bereits die Form des Endproduktes aufweist.

IO

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Mantel aus einem Werkstof verwendet wird, dessen Komprimierbarkeit höhe ist als diejenige der vorverformten Masse.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß man einen Mantel aus Cer, Caesium Wismut oder einer niedrigschmelzenden Wismut legierung verwendet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 958 261.

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