DE2009696A1

DE2009696A1 - Durch intermetallische Verbindungen verbundene Massen aus Aluminiumoxid und metallischer Verbindung

Info

Publication number: DE2009696A1
Application number: DE19702009696
Authority: DE
Inventors: Horacio Enrique Wilmington Del. Bergna (V.St.A.)
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1969-03-03
Filing date: 1970-03-02
Publication date: 1970-09-17
Also published as: BE746284A; FR2037480A5; NL7002932A; GB1295688A; SE350248B; US3565643A; LU60433A1; AT298086B

Description

Durch intermetallische Verbindungen verbundene Massen aus Aluminiumoxid und metallischer Verbindung

Schneidspitzen aus Aluminiumoxid sind bekannt. Diese Spitzen oder Schneidköpfe besitzen den Vorteil extremer Harte und Abriebsbeständigkeit sowie überlegener Heis.sbiegefestigkeit. Sie sind gegenüber Erosion beständig und zeigen wenig Verschweissung oder Diffusion zwischen den Abfallspänen und der Spitze* Sie sind auch oxidationsbeständig. Jedoch werden diese Vorteile bei weitem durch die Sprödigkeit und den Mangel an Zähigkeit keramischer Schneidköpfe und eine ausgeprägte Neigung zu Spannungsrissen und Eruptionen aufgehoben.

Es wurden viele Versuche unternommen, Aluminiumoxid mit Materialien zu kombinieren, die diese Nachteile abschwächen, während die Vorteile von reinem -Aluminiumoxid nicht- merklich herabgesetzt werden. Häufig wird Aluminiumoxid mit bis zu JO bis AO % eines Metalls verbunden, um die IPe-

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stigkeit und Zähigkeit zu steigern. Diese Massen, die im allgemeinen mit Keramik-Metallverbundwerkstoffe (cermets) "bezeichnet werden, ergeben bessere Wärmeleitfähigkeit als reine Aluminiumoxid-Keramikstoffe sowie erhöhte Festigkeit. Jedoch liefert die Anwesenheit des Metalls eine Herabsetzung der Gesamtabriebsbeständigkeit des Schneidkopfs.

Die Zugabe von Carbiden zu Metall-Aluminiumoxidmassen war eine weitere Entwicklung mit dem Ziel, die Abriebsbeständigkeit und Härte, welche die Anwesenheit des Metalls begleiten, zu verbessern.. Jedoch bringen selbst diese Kombinationen von Aluminiumoxid, Carbiden und Metall (1) geringe Abriebsbeständigkeit auf Grund des Metalls und (2) Sprödigkeit und geringe 'thermische Schockbeständigkeit wegen der Verschiedenheit der Uärmeauadehnüngökoeffizienten , die in derartigen, gemischten, feuerfesten Werkstoffen angetroffen werden, mit sich.

Es wurde festgestellt, dass bestimmte Massen aus Aluminiumoxid und bestimmten Carbiden und Nitriden, die mit einer intermetallischen Verbindung verbunden sind, geeignet zur Herstellung von Schneidköpfen mit ungewöhnlichen Eigenschaften sind. Diese Massen können zur Herstellung einer Schneidspitze mit einer ungewöhnlichen Kombination von Härte und Festigkeit und mit sehr grosser Beständigkeit gegenüber Abnutzung und Wärmeschock verwendet werden. Darüber hinaus sind die dichten Massen der Erfindung als oxidationsbeständige und chemischjbeständige Baumaterialien geeignet.

Die Erfindung betrifft dichte Massen mit einer mittleren Teilchengrösse von unter 1On, welche aus zwei sich durchdringenden dreidimensionalen Netzstrukturen bzw. Vernetzungen aufgebaut sind; eine Netzstruktur besteht im wesentlichen aus

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. ■ · .ο

Aluminiumoxid j und die andere Netzstruktur "besteht im •wesentlichen auis einer metallischen Verbindung (metalline) aus

■".-■- Titancarbid,
Titannitrid,
Zirkoniumcarbid, . ' - Zirkoniumnitrid, Niobcarbid,
Niobnitrid,
Tantalcarbid,
_f Tantalnitrid, ■

oder Gemischen davon;

und einer intermetallischen Verbindung aus

. Eisenaluminid,

Eisentitanid, "■- ■ Cobaltaluminid,

Cobalttitanid, · . ' .' Nickelaluminid,

Hickeltitanidj . ■

Wolframaluminid, Molybdanaluminid, Niobaluminid, ■ _: " · Tantalaluminid,'

Titanaluminid, . Zirkoniumaluminid,

oder Gemischen davon,

wobei das Aluminiumoxid in einer Menge im Bereich von 20 bis 80 Vol.% vorliegt, die metallische Verbindung in einer Menge im Bereich von 10 bis 78 Vol.% und_sdie intermetallische Verbindung in einer Menge im Bereich von 2 bis 30 Vol.% vorliegt , mit der Massgabe, dass der Volumenprozentgehalt der metallischen Verbindung geringer sein muss als der Volumenprozentgehalt der intermetallischen Verbindung.

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überraschenderweise ergeben.diese Massen aussergewöhnliche Vorteile gegenüber ähnlichen Massen, die aus engverwandten Verbindungen bestehen und gegenüber Hassen der gleichen Verbindungen in verschiedenen Mengen. Als Folge dieser aussergewöhnlichen Eigenschaften sind die erfindungsgemässen Massen zum Schneiden und Fräsen eisenhaltiger Legierungen selbst bei sehr hohen Schneidgeschwindigkeiten geeignet.

Die Zeichnung.-gibt eine graphische Darstellung der Mengen der Bestandteile wieder, die von den zusammensetzungsmässigen Begrenzungen der Erfindung umfasst werden. Bereich A ist der Bereich, in dem die'Verhältnisse der Zusammensetzung innerhalb der Grenzen der Erfindung liegen, Bereich B ist der Bereich, in dem die Verhältnisse der Zusammensetzung innerhalb der bevorzugten Grenzen der Erfindung liegen^ und Bereich C ist der Bereich, in dem die Verhältnisse der Zusammensetzung besonders bevorzugt sind. Die in der graphischen Darstellung wiedergegebenen Prozentangaben sind Volumenprozente.

Die hochwärmebeständigen, widerstandsfähigen Massen der Erfindung bestehen im wesentlichen aus Aluminiumoxid, einer metallischen Verbindung (metalline) und einer intermetallischen Verbindung.

(a) Aluminiumoxid

Das Aluminiumoxid liegt in den erfindungsgemässen Massen in Mengen im Bereich von 20 bis 80 Vol.% vor. Die Forderung, dass wenigstens 20 % Aluminium vorliegen, beruht auf dem Bestreben, das.· Aluminiumoxid als eine kontinuierliche Phase vorliegen zu haben. Aluminiumoxidmengen unter 20 % sind we niger zufriedenstellend, weil bei diesen geringen Werten die Aluminiumphase zur Diskontinuität neigt. Die Anwesenheit von wenigstens 20 Vol.% Aluminiumoxid stellt die Kontinuität

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der Alumlniumoxidphase unter den üblichen Bedingungen sicher.

Andererseits ist die Menge an Aluminiumoxid auf 80 VoI".% begrenzt, weil mehr Aluminiumoxid dazu neigt, die Kontinuität der elektrisch leitenden Phase der metallischen und'intermetallischen Verbindung zu verhindern.

Es wird bevorzugt, dass das Aluminiumoxid in der erfindungsgemässen Masse in Mengen im Bereich von JO bis 70 Vol.% und besonders bevorzugt in Mengen im Bereich von 4-0 bis 60 Vol.% vorliegt, weil derartige Mengen tatsächlich ununterbrochene Phasen von Aluminiumoxid und die elektrisch leitende Phase garantieren.

Zur Verwendung in den erfindungsgemässen Massen geeignetes Aluminiumoxid kann in vielen Formen vorliegen, so lange es fein zerteilt ist. Es kann also in Form von γ-, ^- oder a-Aluminiumoxid oder deren Gemischen vorliegen. a-Aluminiumoxid ißt ein bevorzugtes Ausgangsmaterial, da es keine so hohe spezifische Oberfläche aufweist, wie γ- oder ^)-Aluminiumoxid und wahrscheinlich weniger adsorbiertes Wasser enthält, was schädlich sein kann. . . "

Das' zu verwendende Aluminiumoxid soll ausreichend feinteilig sein, um die erfindungsgemässen Massen mit einer mittleren KorngrÖsse von weniger als 10 ja. zu ergeben. Ein geeignetes Ausgangsaluminiumoxid ist α-Aluminiumoxid mit einem spezifi-

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sehen Oberflächenbereich von mehr als 2 m /g und vorzugsweise 5 bis 25 ei /g. Aluminiumoxid mit einer äussersten Kristallitgrösse von weniger als 0,5 >u, gemessen durch die Verbreiterungstechnik der Röntgenstrahlenlinien,ist besonders bevorzugt. Ein derartiges Aluminiumoxid kann am einfachsten dadurch erhalten· werden, dass wasserfreies Aluminiumdiacetat 5 oder mehr. Stunden bei 1200° C erhitzt wird. .

Ein·Beispiel für ein geeignetes im Handel erhältliches Aluminiumoxid ist Alcoa Superground Alumina XA-I6, das auf Grund von Röntgenstrahlen-Untersuchung als α-Aluminium ge-' kennzeichnet ist, und es besitzt eine spezifische Oberfläche von etwa 13 m /g> die einer kugelförmigen Teilchengrösse von etwa 115 nni äquivalent ist.

(b) Carbide oder Nitride (metallische Verbindungen, Metalline)

Die metallische Verbindung wird in den erfindungsgemässen Massen in Mengen im Bereich von 10 bis 78 Vol.% verwendet und besteht aus Titancarbid, Titannitrid, Zirkoniumcarbid, Zirkoniumnitrid, Niobcarbid, Niobnitrid, Tantalcarbid,Tantalnitrid oder Gemischen davon.

Wenn Zirkoniumcarbid oder Zirkoniumnitrid verwendet wird, kann es eine geringe Menge Hafniumcarbid oder -nitrid (d. h.

1 bis 5 Gew.%, gewöhnlich etwa 2 %), die gewöhnlich als Verunreinigung in technischen Zirkoniumverbindungen vorliegt, enthalten.

Bevorzugte Mengen an Metallverbindung liegen im Bereich von 15 bis 4-5 Vol.%, und die am stärksten bevorzugten Mengen liegen im Bereich von 20 bis 40 Vol.%. Diese Mengen tragen am wirksamsten zu den Eigenschaften, wie beispielsweise Härte und Abnutzungsbeständigkeit, in den erfindungsgemässen Massen bei.

Die metallischen Verbindungen sind im Handel erhältlich oder sie können durch bekannte Methoden hergestellt werden. Die metallischen Verbindungen sollten vorzugsweise eine Teilchen- grösse von weniger als 5 a. und besonders bevorzugt weniger als

2 ü. aufweisen. Falls das Ausgangsmaterial eine Teilchengrösse von wesentlich grosser als 5 J* "besitzt, kann es zur Vermin-

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derung seiner Teilchengrösse auf die annehmbare Grosse vorgemahlen werden, Natürlich führt das Vermählen der erfindungsgemassen Komponenten, die zur Erzielung eines hohen Ausmasses an Homogenität durchgeführt wird, zu einer gewissen P'ulverisierung des Carbids und der anderen Ausgättgskomponenten. ' . ;

Titannitrid, Titancarbid, Zirkoniumnitrid und Zirkoniumcarbid werden zur Verwendung in den erfindungs.gemässen Massen bevorzugt, da sie leicht erhältlich sind,. Massen mit einem ausgezeichneten Ausgleich physikalischer Eigenschaften ergeben und bei der Verwendung zum Schneiden oder Mahlen eisenhaltiger Legierungen grosse Wirksamkeit entwickeln.

(c) Intermetallische Verbindung

Die zur Verwendung gemäss der Erfindung geeigneten intermetallischen Verbindungen bestehen.aus Eisenaluminid, Eisentitanid, Cobaltaluminid, Cobalttitanid, Nickelaluminid, Nickeltitanid, \iolframaluminid, Molybdänaluminid, Niobaluminid, Tantalaluininid, Titanaluminid, Zirkoniumaluminid oder Gemischen davon. Die intermetallischen Verbindungen sollen in Mengen im Bereich von 2 bis 30 Vol.% vorliegen. Wenigstens 2 Vol.% sind notwendig, um irgendeine merkliche Bindung in dem Körper zu ergeben, und grössere Mengen als diese ergeben zusätzliche Festigkeit und Zähigkeit, obgleich die Abriebbeständigkeit abnimmt. Oberhalb von JO VoI,% tritt nur wenig weitere Verbesserung der Festigkeit ein, Jedoch wird die Abriebsbeständigkeit beträchtlich herabgesetzt.

Wenn Zirkoniumaluminid oder Zirkoniumtitanid verwendet wird, kann es die üblichen Mengen an Hafnium, d. h. 1 bis 5 Gew.%, enthalten.

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Bevorzugte Mengen an intermetallischer Verbindung sind 3 "bis 25 Vol.% und stärker bevorzugt 4· bis 20 Vol.%, da über diese Bereiche das beste Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Zähigkeit und Abriebsbeständigkeit erhalten wurde.

Die bevorzugten intermetallischen Verbindungen sind die Aluminide, und die am stärksten bevorzugten intermetallischen Verbindungen sind Eisenaluminid, Cobaltaluminid und Nickelaluminid, weil sie von den hochwärmebeständigen, intermetallischen Bindern, die in den erfindungsgemässen Massen verwendet werden, die duktilsten sind.

Aluminide von Nickel, Molybdän und Niob, die von der Cerac, Inc. erhältlich sind; Eisenaluminid, das von der Shieldalloy Corp. erhältlich ist, Eisentitanid von der Shieldalloy Corp. oder Fotte Mineral Co. und Nickeltitanid von Metal Hydrides, Inc. können verwendet werden. Die intermetallischen Verbindungen können auch in situ synthetisiert werden", indem das richtige Verhältnis der Elemente in dem Pulver, aus dem die dichten Körper der Erfindung gemacht werden, miteinander vermischt wird.

Die intermetallischen Verbindungen können synthetisiert werden, indem das stöchiometrische Verhältnis der Komponenten in einem inerten, feuerfesten Tiegel in einem Vakuumofen miteinander verschmolzen wird' ·. Nach dem Abkühlen kann das feste Schmelzgut aus der intermetallischen Verbindung in einer Hammermühle wiederholt aufgebrochen und in einer Kugelmühle^ zu einer feinen Teilchengrösse gemahlen werden. Ein feines Pulver kann auch dadurch erhalten werden, dass die geschmolzene intermetallische Verbindung durch bekannte Verfahren zur Herstellung zerstäubter Metallpulver zerstäubt wird. Obgleich Pulver einer Teilchengrösse unter 0,29 nuß (minus 50 mesh, U.S. Standard Sieve Series) zur Herstellung der

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erfindungsgemässen Massen verwendet werden können, werden Pulver mit einer Teilchengrösse unter 0,074- mm (minus 200 mesh) bevorzugt, und Pulver mit einer Teilchengrosse unter 0,044 mm (minus 325 mesh) werden besonders bevorzugt. '.

Die wie vorstehend beschrieben hergestellten feinen intermetallischen Pulver können dann in die zur Herstellung der dichten, erfindungsgemässen Körper zu verwendenden Massen eingearbeitet werden.

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Die in den erfindungsgemässen-'Massen .verwendeten Bestandteile sollten im wesentlichen rein sein. Es ist erwünscht, Verunreinigungen, wie beispielsweise Sauerstoff, auszuschliessen,-der dazu neigt, einen nachteiligen Einfluss auf die erfindungsgemässen dichten Massen auszuüben.

Jedoch können geringe Mengen vieler Verunreinigungen ohne merklichen Verlust an Eigenschaften toleriert werden.

Somit können die intermetallischen Verbindungen geringe Mengen an Metallen, wie beispielsweise Titan, Zirkonium, Tantal oder Niob als geringe Verunreinigungen enthalten, obgleich niedrigschmelzende Metalle, wie Blei, ausgeschlossen werden sollten. Geringe Mengen an anderen, von Titan-, Zirkonium-, Niob- oder Tantalcarbid abweichenden Carbiden, beispielsweise einige Prozent Wolframcarbid, die manchmal beim Mahlen aufgenommen werden, können Vorliegen. Es kann sogar Sauerstoff in -geringen Mengen toleriert werden, die beispielsweise auftreten, wenn Titancarbid gegenüber Luft ausgesetzt worden ist, wobei sich wenige Prozent Titanoxycarbid ergeben.' Jedoch tritt, nachdem die Pulverkomponenten miteinander vermählen, worden sind und sich in einem hochaktiven Zustand befinden,

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leicht Oxidation, insbesondere der intermetallischen Verbindung ein und sollte vermieden werden.

Strukturelle Eigenschaften

Ausser der Charakterisierung der erfindungsgemässen Massen auf der Basis der vorstehend erörterten Komponenten können die Massen auch auf der Grundlage ihrer Struktureigenschaften charakterisiert werden.

(a) Gegenseitige Durchdringung dreidimensionaler Vernetzungen

Die Massen der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei sich gegenseitig durchdringende dreidimensionale Netzstrukturen enthalten: eine aus Aluminiumoxid und eine aus intermetallisch gebundenem Carbid oder Nitrid.

Obgleich die Wirkungen der Anwesenheit dieser beiden Vernetzungen nicht vollkommen geklärt ist, wird angenommen, dass sie wesentlich zu den ungewöhnlichen Eigenschaften der erfindungsgemässen Massen beitragen, wodurch sich Massen ergeben, die fester und schlagbeständiger als übliche keramische Aluminiumoxid-Schneidwerkzeuge sind.

Das Vorliegen dieser gleichzeitigen, kontinuierlichen Netzgefüge kann aus der Analyse der dichten Masse ermittelt werden. Die Kontinuität des Netzgefüges aus Aluminiumoxid kann durch Entfernen der metallischen und intermetallischen Verbindung durch anodische Ätzung in 10%iger Ammonium-bifluoridlösung ermittelt werden. Der A'tzvorgang, obgleich er das Aussehen der Masse nicht sichtlich beeinträchtigt, entfernt das elektrisch leitende Material aus dem äusseren Bereich der der Oberfläche am nächsten liegenden Massen und ergibt eine nichtleitende Oberfläche mit einem elektrischen Wider-

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stand von mehr als 100 000 Mikro-Ohm-Zentimeter. Der Nachweis der Kontinuität der Aluminiumoxidphase "besteht in der festen, zusammenhängenden Oberfläche, die trotz der offensichtlichen Entfernung der leitenden Materialien .vorliegt.

Eine "bequeme Methode zum Entfernen sämtlicher Metallverbindungen und intermetallischen Verbindungen aus den erfindungs*- gemässen Massen, um damit das Vorliegen'eines dreidimensionalen Gerüsts aus Aluminiumoxid nachzuweisen, "besteht darin,

dass kleine Stäbe aus der Masse in ein Gemisch aus 25 car 12%iger Fluorwasserstoffsäure und 5 crä konzentrierter Salpetersäure eingetaucht werden. Ein Stab von.0,17 x 0,17 χ 2,5 cm kann 24 Stunden in dem Säure gemisch belassen werden, während das Gemisch auf einem·"Dampfbad erhitz/t wird. Der Anteil des Stabs, der nach 24- Stunden verbleibt-, besteht aus Aluminiumoxid und kann hinsichtlich der Kontinuität und Festigkeit durch übliche Mittel untersucht werden.

Die erfindungsgemässen. Massen, die 40 oder mehr Vol.% Aluminiumoxid enthalten, liefern gemäss der obigen Analysenmethode sehr feste Aluminiumgerüste. Ein aus einer erfindungsgemässen Masse, die etwa 60 Vol.% Aluminiumoxid enthält, erhaltenes Aluminiumgerüst behält eine Querbruchfestigkeit von 1050 kg/cm (15 000. psi) bei. Die Anwesenheit von Alumin-. niumoxid in Mengen von etwa 30 Vol.% neigt zur Erzeugung eines ziemlieh festen Gerüstes mit Querbruchfestigkeiten von etwa 100 kg/cm (1400 psi). Bei etwa 20 Vol.% Aluminiumoxid liegt gewöhnlich eine schwache, Jedoch sich selbst tragende Struktur vor, und unterhalb 20 Vol.% besteht häufig wenig ^r oder kein kontinuierliches Aluminiumoxidgerüst. Das Entfernen der elektrisch leitenden Phasen aus den weniger als 20 Vol.% Aluminiumoxid enthaltenden Massen führt gewöhnlich zur Wiedergewinnung von Aluminiumoxidpulver.

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Die Anwesenheit einer kontinuierlichen Phase der elektrisch leitenden metallischen Verbindung und intermetallischen Verbindung ist aus der elektrischen Leitfähigkeit der heissgepressten, erfindungsgemässen Massen ersichtlich. Die erfindungsgemässen Massen besitzen vorzugsweise einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als etwa 1 Ohm-cm, bevorzugter weniger als etwa 25 OOO Mikro-Ohm-cm und besonders bevorzugt weniger als 5000 Mikro-Ohm-cm. Die bevorzugten Massen der Erfindung, in denen die metallische Verbindung plus der intermetallischen Verbindung 35 Vol.% oder mehr ausmachen, haben häufig einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 1000 Mikro-Ohm-cm.

(b) Wärmeausdehnungskoeffizient

Die Massen der Erfindung sind auch dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei kontinuierliche sich gegenseitig durchdringende Vernetzungen mit sehr ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Im allgemeinen liegt der Ausdehnungskoeffizient · der Aluminiumoxidphase sowie der metallischen und intermetallischen Phase zwischen 10 χ 10" und 13 χ 10" cm/cm/ 0,5° C (4 χ 1O~⁶ und 5 χ 10~⁶ inches/inch/°F) bei Temperaturen von Raumtemperatur bis zu 540° C (1000° F).

Auf Grund der Ähnlichkeit dieser Wärmekoeffizienten können Schneidspitzen aus den erfindungsgemässen Massen extreme Temperaturänderungen mit geringer oder ohne in der Masse erzeugter thermischer Verformung aushalten. Die Massen sind gegenüber Wärmeschock sehr beständig, sowohl hinsichtlich der Zersprengung als auch hinsichtlich der Oberflächenrissbildung.

(c) Homogenität und feinkörnige Struktur

Die erfindungsgemässen Massen, sind auch dadurch gekennzeich-

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net, dass sie eine feine durchschnittliche Teilchengrösse von unter 1Ou und--vorzugsweise-, weniger als 5 μ mittlerem Korndurchmesser besitzen. Die Zahl der mittleren Korngrösse und die Grössenverteilung ergeben sich aus vergrösserrten Elektronen-Mikrophotographien bei polierten, geätzten Oberflächen unter Verwendung einer Erweiterung der Methoden yon John E. Hilliard, die in "Metal Progress", Mai 1964, Seiten 99 bis. 102 und von R. L. Pullman, in the Journal of Metals, März 1953 > Seite 447 ff« beschrieben sind. Die Korngrösse ist über die gesamte Masse einheitlich und homogen, und es besteht praktisch keine Porosität in den dichten Massen der Erfindung. Die Verteilung der gleichzeitig vorliegenden kontinuierlichen Phasen (d. h. Aluminiumoxidgerüst und die metallische-intermetallische Matrix) ist ebenfalls gleichmassig und homogen, und allgemein ausgedrückt,erscheint irgendein Bereich von 100 a im Quadrat, der mikroskopisch bei 100Ofacher Vergröss^erung untersucht wird, gleich irgendeinem anderen Bereich von 100 ja im Quadrat innerhalb üblicher statistischer Verteilungsgrenzen. Die feine Korngrösse der erfindungsgemässen Massen ist natürlich zumindest teilweise für die Kontinuität der sich durchdringenden Phasen (d. h. Aluminiumoxidgerüst und die metallische-intermetallische Matrix), verantwortlich. Jedoch trägt sie auch zusammen mit der Homogenität und der geringen Porosität zur Abriebsbeständigkeit der erfindungsgemässen Massen bei. Metalleinschlüsse, wie beispielsweise die Carbideinschlüsse in gegossenem Eisen, schleifen Selbst die härtesten der metallgebundenen Carbidschneidwerkzeuge ab. Trotzdem sind die erfindungsgemässen Massen in überragendem Masse abriebsbeständig. ,

Herstellung

Die Herstellung der erfindungsgemässen Massen ist wichtig,

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weil viele Eigenschaften der Massen als Ergebnis der Art und Veise ihrer Herstellung erreicht v/erden. Daher stehen die Verwendung von feinkörnigen Ausgangsmaterialien und gründliches Vermählen der gemischten Komponenten in direkter Beziehung zu der feinen Korngrösse und der gleichmässigen Homogenität der Massen. Andere "bei der Herstellung der erfindungsgemässen Massen zu beobachtende Vorsichtsmassnahmen, die wesentliche Auswirkungen auf die Produkte ausüben, sind folgende:

(Ό die Verhinderung übermässiger Verunreinigung aus dem Mahlmedium und von Feuchtigkeit oder Sauerstoff in der Luft,

(2) Warmpressen oder Sintern unter Bedingungen, die das Entweichen flüchtiger Materialien vor der Verdichtung gestatten,

(3) Vermeidung übermässiger Absorption von Kohlenstoff aus Heisspressformen, indem deren. Kontakt unter absorptionsfordernden Bedingungen begrenzt wird, und

(4) Vermeidung übermässiger Komponenten—Rekristallisation und sich daraus ergebender Ausscheidung, indem eine längere Aussetzung gegenüber sehr hohen Temperaturen vermieden wird.

(a) Vermählunp; und PulverRewinnunp;

Das Vermählen der Komponenten zu deren homogener Vermischung und zur Erzielung sehr feiner Korngrössen wird nach üblichen •Verfahren durchgeführt. Optimale Mahlbedingungen schliessen gewöhnlich eine Mahlvorrichtung, die halbgefüllt mit einem Mahlmedium, wie beispielsweise mit Cobalt gebundene Wolframcarbidkugeln oder -stäbe, ist, ein flüssiges Medium, wie beispielsweise ein Kohlenwasserstofföl, eine inerte Atmosphere, Mahlzeiträume von wenigen Tagen bis mehreren Wochen

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und die Gewinnung.von Pulver ebenfalls in einer inerten Atmosphäre ein. Das erhaltene Pulver wird gewöhnlich "bei Temperaturen von etwa 150 "bis 200° C unter Vakuum getrocknet"" und anschliessend gesiebt und gelagert, gegebenenfalls in , einer inerten Atmosphäre.

(b) Verfestigung "

Die erfindungsgemässen Massen werden gewöhnlich zu dichten, porenfreien Körpern durch Sintern unter Druck verfestigt. Die Verfestigung oder Verdichtung wird gewöhnlich durch warmpressen der gemischten Pulver in einer Graphitform unter Vakuum durchgeführt. '■ '

Zum Warmpressen werden die Pulver in die Form gebracht· und in die erhitzte Zone der Warmpresse ohne Anwendung von Druck eingeführt, so dass flüchtige Verunreinigungen entweichen können, bevor die Masse verdichtet wird. Voller Druck wird gewöhnlich bei.oder nahe der Maximaltemperatur aufgebracht.

Die Maximaltemperaturen liegen zwischen 1400 und 19OQ⁰ Oje nach der Menge der vorliegenden intermetallischen Verbindung, und sie liegen gewöhnlich zwischen 1600 und 1800 C. Maximaldrücke liegen im Bereich von 35 "bis 280 kg/cm (500 bis 4000 psi), wobei, niedrigere Drücke im allgemeinen in Kombination mit niedrigeren Temperaturen für Massen mit einem hohen Gehalt an intermetallischer Verbindung angewendet werden. Umgekehrt werden hohe Drücke und Temperaturen für Massen mit geringem Gehalt an intermetallischer Verbindung verwendet.

Wie ersichtlich, neigen bei höheren Temperaturen und Drücken einige der niedriger' schmelzenden intermetallischen Bestandteile zum Auspressen bzw. Ausquetschen aus den Massen während

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des VerdichtungsVorgangs. Diese Neigung kann rait Vorteil dazu verwendet werden, dass man mit einer etwas grösseren als der gewünschten Menge an intermetallischer Verbindung beginnt und bei hoher Temperatur und hohem Druck arbeitet. Durch dieses Vorgehen wird ein Teil der intermetallischen Verbindung ausgequetscht und ergibt den gewünschten Gehalt an intermetallischer Verbindung, und die ausgeschiedene intermetallische Verbindung dient als Gleitmittel und Sinterhilfsmittel. während des PressVorgangs. Auf diese Weise können Lücken oder Zwischenräume trotz der hochwärmebeständigen Art der Endmasse ausgeschaltet werden.

Es ist wichtig, dass die Masse nicht auf eine Temperatur oder während eines Zeitraums erhitzt wird, die über diejenigen hinausgehen, die zur Beseitigung von Porosität und zur Erzielung der Dichte benötigt wird. Diese höheren Temperaturen oder längeren Zeiträume führen zu einem unerwünschten Kornwachstum und ergeben eine Vergröberung der Struktur und können sogar zur Entwicklung von sekundärer Porosität auf Grund von Rekristallisation öder zur Bildung unerwünschter Phasen führen.

Wie im folgenden dargelegt, werden gewöhnlich Presstemperaturen im Bereich von 1700 bis 1900° C' für die bevorzugten Produkte der Erfindung "angewendet, und die Maximaltemperatur wird weniger als JO Minuten angewendet, gewöhnlich nicht mehr als 10 Minuten und vorzugsweise nicht mehr als 6 Minuten, wonach das Produkt aus der heissen Zone entfernt wird. Durch diese Massnahmen werden die erfindungsgemässen Massen zusammengedrückt bzw. verdichtet, so dass Porosität beseitigt und maximale Dichte ohne übermässige Rekristallisation erreicht werden. Diese Produkte zeichnen sich durch ihre feine Korngrösse und aussergewöhnliche Querbruclifestigkeit aus.

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Die erfindungsgemässen Massen, insbesondere solche mit hohem Gehalt an intern.etallischer Verbindung und geringen Teilchengrössen, können auch durch Kaltpressen und Sintern unter hohem Vakuum verdichtet werden, vorausgesetzt, dass die obige Begrenzung bezüglich des Minimums der Sinterzeit bei maximaler Temperatur erfüllt wird. Es wird bevorzugt, das. Pulver in einer geschlossenen Gummiform, die in Wasser in einer zur Anwendung von hohen, hydraulischen Drücken (4220 kg/cm , 60 000 psi) befähigten isostatischen Presse aufgehängt ist, isostatisch zu pressen. ,

Verwendbarkeit '^

Die erfindungsgemässen Massen können in vielfältigen Typen von Schneidwerkzeugen, die für zahlreiche Verwendungszwecke ausgebildet sind, verwendet werden. Sie können zu standardisierten, auswechselbaren Einsätzen, die zum Drehen, Bohren oder Mahlen geeignet sind, geformt oder geschnitten werden. Oder sie können mit metallgebundenen Carbiden oder Uerkzeugstählen für Nachschied'fwerkzeuge unter Sehichtbildung oder in anderer Weise verbunden werden. Sie sind allgemein zum Entfernen von Metall aus Eisenmetallen geeignet, einschliesslieh zur Bearbeitung oder zum Schneiden von gehärteten Stählen, Legierungsstählen, m'araginglStählen, gegossenem Eisen, gegossenem Stahl, Nickel, Nickel-Chrom-Legierungen, Legierungen auf Nickelgrundlage und Cobalt-Uberlegierungen sowie zum Schneiden von nichtmetallischen Materialien, wie beispielsweise Glasfaser-Kunststoffschichtstoffe und keramische Massen.

Die erfindungsgemässen Massen eignen sich am besten zum Schneiden derartiger Metalle bei sehr hohen Geschwindigkeiten, z. B. Legierungsstähle bei 240 Oberflächenmeter/Minute (800 surface feet per minute) und gegossenes Eisen bei 360 Oberflächenmeter/Minute (1200 surface feet per minute). Dies be-

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ruht auf" der gross en Beständigkeit gegenüber Kraterbildimg und Handabnutzung und darauf, dass die erfindungsgemüsecn Massen bei erhöhten Temperaturen gute Härte beibehalten. Wegen ihrer guten V/ärineschockbeständigkeit sind sie besonders gut zur Herstellung wiederholter kurzer Schnitte oder anderer unterbrochener Schneidvorgänge geeignet, bei denen die Temperatur der Schneidkante sich rapide verändert.

Die Massen der Erfindung können auch für allgemeine hochwärmebeständige Anwendungen eingesetzt werden, z.B. für Gewindeführungen, Lager, abnutzungsbeständige mechanische Teile und als Präs- oder Schleifstaub in mit Harz gebundenen Schleifscheiben und Abschneidmessern. Darüber hinaus sind die erfindungsgemässen Massen für jede Anwendung geeignet, bei der ihre Kombination von hochwärmebeständigen Eigenschaften, elektrischer Leitfähigkeit, metallophiler Natur und Wärmeschockbentändigkeit einen Vorteil liefern, beispielsweise zur Herstellung eines elektrisch leitenden keramik ähnlichen Schleifsandes für Schleifscheiben, die zum elektrolytischen Schleifen verwendet werden.

Die erfindungsgemässen Gegenstände sind äusserst beständig gegenüber Oxidation bei hohen Temperaturen, und diese Eigenschaft zusammen mit ihrer elektrischen Leitfähigkeit nacht es möglich, dass sie als Ofenheizelemente verwendet werden können, die ihre hohe Temperatur über lange Seiträume in oxidierenden Atmosphären beibehalten können.

Ihre Beständigkeit gegenüber Oxidation und ihre ausgezeichnete Warmhärte machen sie insbesondere als Bauwerkstoffe für bei hoher Temperatur'betriebene Extrudierformen geeignet.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher beschrieben.

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.Beispiel 1 . " ' . ."'"""-■ ' ' '"

Dies ist ein Beispiel einer 50 VoI,% Aluminiumoxid,· 45 Vol.% Titancarbld und 5 Vol.% Nlckelaluminid enthaltenden Masse*

Das in Form von sehr fein zerteiltem α-Aluminiumoxid" vorliegende Aluminiumoxid wird aus kolloidalem Böhmit gemass der USA-Patentschrift 2 915 475 hergestellt, indem das Ausgangsmaterial .20 Stunden in Luft bei 550° C erhitzt wird, dann die Wärme auf 500° C gesteigert wird und bei dieser Temperatur während 15 Stunden gehalten wird und schliesslich die Wärme mit etwa 100° C je Stunde auf eine Endtemperatur von 124-0° C erhöht Wird, bei der das Material 3 Tage gehalten wird. Eine Probe des gekühlten Produktes "wirft dann. mit"Fluorwasserstoffsäure behandelt und ist zu 88,5 % in 24%iger, wässriger Fluorwasserstoffsäure während eines Zeitraums von

' " . . oxid

16 Stunden unlöslich, wodurch sich ein a-Aluminium'gehalt von etwa 88,5 % ergibt. Der spezifische Oberflächenbereich des in Fluorwasserstoffsäure unlöslichen Aluminiumoxids beträgt 6,3 m /g, gemessen durch Stickstoffadsoi^vption unter Verwendung der Brunaaer, Emmett, Teller Methode.

Dieser Oberflächenbereich entspricht einer Kristallitgrösse des ά-Alurainiumoxids von etwa 240 mu mittlerem Teilchendurchmesser. Unter einem Elektronen-Mikroskop erscheint das cc-^ Aluminiumoxid als Aggregate von Aluminiumoxid-Kristallen im Bereich von 100 bis $00 mia Durchmesser. '

Die Dichte des freifliessenden feinzerteilten α-Aluminiumoxids beträgt 0,5 g/cm^, die durch Messung des Volumens einer gewogenen Probe nach Einschluss in einen 100 cnr-Glaszylinder erhalten wurde.

Das zu verwendende Titancarbid hat eine Nominalpartikelgrosse

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to

von 2 ia und einen.spezifischen Oberflächenbereich von 3 m /g, bestimmt durch Stickstoffadsoprtion. Eine Elektronen-Mikrophotographie zeigt, dass die Titancarbidkörner einen Durchmesser von etwa 2 xx aufweisen und dass sie in Form von losen Aggregaten gebündelt sind. Der Kohlenstoffgehalt beträgt 19,0 /j, und die Säuerstoffanalyse ergibt einen Titandioxidgehalt von etwa 2,5 %·

Das zu verwendende Nickelaluminid hat eine solche Teilchengrösse, dass es vollständig durch ein Sieb mit Sieböffnungen

von t\A- ii (325 mesh) hindurchgeht. Der spezifische Oberflä-

/ ρ

chenbereich des Pulvers beträgt 0,3 m /g, bestimmt durch

ßtickstoffadsorption. Dieser spezifische Bereich entspricht Teilchen aus Nickelaluminid von etwa 3,A-ja. mittlerem Teilchendurchmesser. Der Sauerstoffgehalt beträgt 0, 5 %.

Die Pulver werden gemahlen, indem 4000 g vorkonditionierte zylindrische Cobalt-gebundene Volframcarbid-Einsätze von 6,3 mm (i/4 inch) Länge und 6,3 imi (i/4- inch) Durchmesser in eine 1,3 Liter Stahlwalzenmühle von etwa 15 cm (6 inches) Durchmesser gegeben werden, in die auch 375 ^ml "Soltrol" (ein gesättigter paraffinischer Kohlenwasserstoff mit einem Siedepunkt von etwa 175° 0) eingebracht worden sind. In die Mühle werden dann 59:75 S d-^eG α-Aluminiumoxids, 67 »50 g des Titanearbid-Pulvers und 8,78 g des Nickelaluminid-Pulvers, wie oben beschrieben, eingebracht.

Die Mühle wird dann verschlossen und mit 90 Upm 5 Tage in Rotation versetzt. Dann wird die Mühle geöffnet und der Inhalt durch ein Sieb mit Sieböffnungen von 2,83 mra (Nr. 7) geleert, während die Mahleinsätze im Innern gehalten werden. Die Mühle wird dann mit "Soltrol" 130 mehrmals ausgespült, bis sämtliche vermahlenen Feststoffe entfernt sind.

- 20 009838/1937

Das gemahlene Pulver wird in einen Vakuumverdampfer überführt, und der überschüssige Kohlenwasserstoff wird, nachdem sich das suspendierte Material abgesetzt hat, abdekantiert. Der feuchte Rückstandskuchen wird dann unter Vakuum und unter Anwendung von Wärme getrocknet, bis die Temperatur innerhalb des Verdampfers zwischen 200 und 300° 0 liegt und der Druck weniger als etwa 0,1 mm Hg beträgt. Danach wird das Pulver unter vollkommenem Luftabschluss gehandhabt. '

Das trockene Pulver wird durch ein Sieb mit Sieböffnungen von 0,4-2 mm (40 mesh) in einer Stickstoffatmosphäre hindurchgegeben und dann unter Stickstoff in verschlossenen Kunststoffe ehält ern gelagert.

Ein verdichteter Block wird aus diesem Pulver hergestellt, indem das Pulver in einer zylindrischen Graphitform mit einer quadratischen Ausnehmung von 27 x 27 mm (. 1 1/16 χ 1 1/1-6 inches) und die mit gegenüberliegenden engangepass-

wird ten Kolben ausgestattet ist, warmgepresst^ Ein Kolben wird an einem Ende des Foriahohlraums festgehalten, während 25 g Pulver in den Hohlraum unter Stickstoff eingefüllt werden und gleichmässig verteilt werden, indem die Form gedreht wird und leicht an der Seite geklopft wird. Der obere Kolben wird dann unter Handdruck in Stellung gebracht. Die zusammengefügte Form mit Inhalt wird dann in eine Vakuumkammer einer Vakuumwarmpresse gebracht, die Form wird in einer vertikalen Stellung gehalten und die sich nach oben und unten erstreckenden Kolben werden zwischen gegenüberliegende Pressstempel der Presse unter einem Druck von etwa 7 "bis 14 kg/cm (100 bis 200 psi) eingerückt. Innerhalb eines Zeitraums von 1 Minute wird die Form in die heisse Zone des Ofens von 1500° C gehoben, und die Ofentemperatur wird sofort gesteigert, wahrend die Stellungen der Presstempel so festgelegt sind, dass weitere Bewegung während der Aufheizperiode ver-

- 21 009838/1137

4-234-G

hindert wird. Die Temperatur wird von 15OO auf 1800° C in 10 Minuten erhöht, und die Temperatur der Form wird dann bei 1800° C während weiterer 2 Minuten gehalten, um ein gleichmassiges Erhitzen der Probe sicherzustellen. Ein Druck von 280 kg/cm (4000 psi) wird dann während 4 Minuten durch die Kolben aufgebracht. Unmittelbar nach dem Pressvorgang wird die Form mit Inhalt, die noch zwischen den gegenüberliegenden Presstempeln gehalten wird, aus dem Ofen in eine Kühlzone befördert, wo die Form mit Inhalt auf dunkle Eothitze in etwa 5 Minuten gekühlt wird.

Form und Inhalt werden dann aus dem Valcuumofen entfernt, und der Block wird aus der Form entfernt und zur Entfernung von irgendwelchem anhaftenden Kohlenstoff gesandstrahlt.

Das verdichtete Gut bzw. der Block, der -ems- ein . Quadrat von 27 mm ( 1 1/16 inch) von einer Stärke von etwa 7₅6 mm (0,30 inch) ist, wird so geschnitten, dass ein Stück, das etwas grosser als 1,3 mm im Quadrat (one half inch square) aus dem Mittelpunkt entfernt ist. Streifen von 1,8 mm (0,070 inch) Stärke werden aus dem Material abgeschnitten, die an jeder Seite des Mittelstücks verbleiben, und werden weiter zu Stäben von 1,8 χ 1,8 mm im Quadrat (0,70 inch χ 0,70 inch square) zur Prüfung hinsichtlich der Querbruchfestigkeit geschnitten. Andere Teile des Blocks werden zu Kugeldruckhärte-Prüfungen und für andere ProduktCharakterisierungen verwendet. Die Querbruchfestigkeit, die durch Biegen der Versuchsstäbe von 1,8 χ 1,8 mm (0,070 χ 0,070 inch) bei einer Spannweite von 14,3 mm (9/16 inch) gemessen wurde, beträgt 11 600 kg/cm*· (I65 000 psi). Die Härte liegt bei 93»2, bezogen auf die Rockwell A-Skala.

Das quadratische Mittelstück wird zu einer Schneidspitze von genauen Dimensionen von 12,7 x 12,7 x 4>7 mm (1/2 χ

- 22 U9838/1937

42J4-G '

1/2 χ '3/16 inch) endbe arbeit et, und die Ecken werden mit einem Radius von 0,79 mm (i/32 inch.) oberflächenbearbeitet, eine Ausführung, die in der Industrie als SNG-432 bekannt ist. Diese Spitze wird als einzelner Zahn in einer Fräse von 10 cm (4- inch) Durchmesser verwendet, um Stäbe aus 4-34-0 Stahl (R 36) mit einer Breite von 5 cm (2 inch) bei

einer Oberflächengeschwindigkeit von 160 m/min (535 feet per minute) und einer Zuführgeschwindigkeit von 0,135 (0,0053 inch) je Zahn mit einer Schneidtiefe von 2,5 (0,100 inch) auf dem Mittelpunkt trocken planzu-fräsen.

Der FräsVorgang wird unter diesen Bedingungen für eine Stab-, länge von 91^ cm (36 inches) fortgesetzt, und nach Untersuchung zeigte die Schneidspitze₍eine gleichmässige Flankenabnutzung von lediglich 0,13 mm (0,005 inch) und lokale Flankenabnutzung von 0,20 mm (0,008 inch), wobei auf der Oberfläche des Werkzeugs keine Kraterbildung und kein Abbrechen oder Absplittern der Ecken oder Kanten auftrat. Unter den gleichen Schneidbedingungen splitterten und brachen handelsübliche keramische Schneideinsätze nach einem Schneidvorgang von 5 ^is 28 cm ( 2 bis 11 inches).

Die Spitze wird auch als Schneidwerkzeug für graues, gegossenes Eisen Klasse 30 (170 BHE) in einem Hochgeschwindigkeits-Drehtest bei 375 Oberflächenmeter je Minute (1250 surface feet per minute) unter Anwendung einer Zufuhr von 0,13 mm (0,005 inch) je Umdrehung und einer Schneidtiefe von 1,3 mm (0,050 inch) verwendet. Nach 10 Minuten Betrieb zeigte die Spitze eine gleichmässige Flankenabnutzung von nur 0,10 mm<(0,0o4-inch). ; .

Es wurde festgestellt, dass unter den gleichen Bedingungen ein handelsübliches, keramisches Werkzeug eine gleichmässige Flankenabnutzung von 0,15 mm (0,006 inch) in 10 Minuten auf-·

- 23 -0 09 838/1937

4234-G

wies, und ein handelsübliches Werkzeug aus TiC-Mo-Ki besass eine Abnutzung von 0,28 mm (0,011 inch). Ein handelsübliches Werkzeug aus WC-Co versagte bei dieser hohen Geschwindigkeit praktisch sofort.

Das Werkzeug wird auch verwendet, um extrem harten 4340-Stahl (54 R ) bei 120 Oberflächenmeter Je Minute (400 S1⁽¹M), 0,1J mm je Umdrehung (0,005 ipr) und 1,3 mm (0,050 inch) Tiefe, und es wurde eine Werkzeug-Lebensdauer von 15 Minuten festgestellt. Unter den gleichen Bedingungen ergab ein handelsübliches, keramisches Werkzeug eine Werkzeug-Lebensdauer von 5 Minuten, und ein handelsübliches Werkzeug aus TiC-Mo-Ni versagte augenblicklich.

B e J ₁ s ρ i e 1 2

Das Verfahren des Beispiels 1 wird mit der Ausnahme wiederholt, dass die Bestandteile in den folgenden Mengen verwendet wurden: 66,3 S Aluminiumoxidpulver, 34,2 g Titanearbidpulver und 8,18 g Nickelaluminid. Diese Mengen entsprechen einer Masse, die 70 Vol.% Aluminiumoxid, 25 Vol.% Titancarbid und 5 Vol.% Nickelaluminid enthält.

Eine aus dieser heissgepressten Masse wie in Beispiel 1 hergestellten Schneidspitze ist aussergewöhnlich, leistungsfähig als Schneidspitze zum Metausschneiden durch Drehen und Fräsen.

Beispielsweise wird die Spitze als ein Schneidwerkzeug für graues, gegossenes Eisen Klasse 30 (170 BHN) in einem Hochgeschwindigkeits-Drehtest bei 375 Oberflächenmeter je Minute (1350 surface feet per minute) unter Verwendung einer Zufuhr von 0,13 mm (0,005 inch) je Umdrehung und einer SchneicLtiefe von 1,3 mm (0,50 inch) verwendet. Nach einer Betriebsdauer

- 24 009838/1937

von 10 Mnuten weist die Spitze eine gleichmässige Frankenabnutzung von 0,20 mm (0,008 inch) und eine lokale Flankenabnut ζ ung von 0,3 mm .(0,012 inch) auf.

Die Spitze wird auch als'einzelner Zahn in einer Fräse von 10 cm (4 inch) Durchmesser verwendet, um Stäbe aus grauem, gegossenem Eisen 30 (170 BIHT) von 5 cm (2 inch) Breite bei einer Oberflächengeschwindigkeit von 4-7Om je Minute (1575 feet per minute) und einer Zufuhrgeschwindigkeit von 0,'25 mm (0,010 inch) je Zahn mit einer Schneidtiefe von 6,35 mm (0,250 inch) auf den Mittelpunkt planzufräsen.

Der Fräsvorgang wird unter diesen Bedingungen für eine Stablänge von 560 cm (220'inches) ohne Abnutzung fortgesetzt. Nach Untersuchung zeigt die Schneidspitze lediglieh eine · gleichmässige Flankenabnutzung von 0,30 mm und eine lokale Flankenabnutzung von 0,91 mm (0,036 inch), wobei keine Kraterbildung auf der Oberfläche des Werkzeugs und kein Abbrechen oder Absplittern des Randes auftrat. Unter den gleichen Schneidbedingungen brechen handelsübliche, keramische Schneideinsätze sofort ab.

B e is -pi e 1 5

Das' Verfahren des Beispiels 1 wird mit der Ausnahme wiederholt, dass die folgenden Bestandteile verwendet werden: 71,6 g Aluminiumoxidpulver,· 37,0 g Titancarbidpulver und 14,β g.Molybdänaluminid (Mo₇Al)-Pulver« Diese Mengen ent sprechen einer Masse, die 70 Vol.% Aluminiumoxid, 25 Vol.% uJitancatfbid und 5 VoI,% Molybdänaluminid enthält.

Eine aus dieser warmgepressten Masse gemäss Beispiel 1 her«* gestellte Schneidspitze zeigt aussergewöhnliche Leistungsfähigkeit als Schneidspitze zum Schneiden von. Metall durch Dreken und Fräsen, .

009838/1137

Beispielsweise wird die Spitze als Schneidwerkzeug für graues, gegossenes Eisen Klasse $0 (70 BiIN) in einem Hochgeschwindigkeits-Drehtest bei 375 Oberflächenmeter je Minute (1250 surface feet per minute) unter Anwendung einer Zufuhr von 0,13 mm (0,005 inch) je Umdrehung und einer Schneidtiefe von 1,3 mm (0,50 inch) verwendet. Nach einer Betriebsdauer von 10 Minuten weist die Spitze eine gleichmässige Flankenabnutzung von nur 0,05 mm (0,002 inch) auf.

Die gleiche Spitze wird auch als einzelner Zahn in einer Fräse von 10 cm (4 inch) Durchmesser verwendet, um Stäbe aus ^34-O-Stahl (R. 36) von 5 cm (2 inches) Breite mit einer Oberflächengeschwindigkeit von 160 m je Minute (535 feet per minute) und einer Zufuhrgeschwindigkeit von 0,135 ¹^¹¹ (0,0053 inch) je Zahn bei einer Schneidtiefe von 2 mm (0,100 inch) auf den Mittelpunkt trocken planzufräsen.

Der Fräsvorgang wird unter diesen Bedingungen für eine Stablänge von 91>4· era ohne Abnutzung fortgesetzt. Nach Untersuchung zeigte die Schneidspitze eine gleichmässige Flankenabnutzung von nur 0,07 ram (0,003 inch) und eine lokale Plankenabnutzung von 0,15 ™i (0,006 inch), wobei auf der Oberfläche des Werkzeugs keine Kraterbildung und kein Abbrechen oder Absplittern des Randes eintrat. Unter den gleichen Schneidbedingungen versagten handelsübliche, keramische Schneidwerkzeuge, indem sie nach einem Schneidvorgang zwischen 5 und 28 cm (2 und 11 -inches) absplitterten.

Beispiele 4- bis 7

Die folgenden Beispiele werden unter Verwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Ausgangsmaterialien und des Verfahrens, fallo nicht anders angegeben, durchgeführt. Die in den folgenden Beispielen abweichend von Titancarbid und Nickel-

- 26 ¹ 009838/1937

42J4-G '

aluminid verwendeten Rohmaterialien werden wie folgt gekennzeichnet: -

1) Aluminiumoxid - Alcoa Superground Alumina XA-16,, wird durch Röntgenstrahlen^Untersuchung als α-Aluminiumoxid gekennzeichnet und "besitzt einen spezifischen Oberflächenbe-

reich von 13 m /g. ■ . "

2) Zirkoniumcarbid - technische Materialien, ein feines Pulver, das durch Röntgenstrahlen-Untersuchung als reines Zirkoniumcarbid gekennzeichnet wird und eine TeilchengrÖsse von weniger als 1 la, gemessen mit einem Eis cher-Unt er si eb_r Klassierer, aufweist. Der spezifische Oberflächenbereich des PuI-

vers "beträgt 0,5 m /g, und der Sauerstoffgehalt liegt "bei lediglich 0,18 %.

3) Tantalcarbid - Adamas Carbide Co., ein feines Tantalcarbidpulver, das durch. Röntgenstrahlen-Untersuchung als reines Tantalcarbid gekennzeichnet idlrd und eine Teilchengrösse von 5 »., gemessen mit einem Fisclier-Untersieb-Klassierer, auf- " weist. Der spezifische Oberflächenbereich des. Pulvers "beträgt 0,58 m²/g, und der Sauerstoffgehalt liegt "bei nur 0,0? %. Elektronen-Mikrophotographien einer trockenen Einsatzprobe dieses Pulvers zeigen leuchen'mit einem Durchmesser zwischen 0,4- und M- bis 6p., jedoch meistens von etwa 2 bis 3 ja.·

4·) Titannitrid - Materialien für die Industrie, ein Titannitrid-Pulver mit einer Teilenengrösse entsprechend einem Siebdurchgang durch ein Sieb von 44- μ. Sieböffnung (minus 325 mesh) , das auf Grund von SÖntgenstrahlen-Untersuchung als reines Titannitrid gekennzeichnet ist. Der spezifische Oberflächenbereich des Pulvers beträgt 1,1 m /g, der Sauerstoffgehalt beträgt 0,8? % und der Gesamtkohlenstoffgehalt liegt bei 0,33 %. Die chemische Analyse zeigt, dass der Titangehalt des Pulvers 76,19"^ "beträgt. ■

- 27 -009838/193 7

4234-G

5) Tantalaluminid - ein feines Pulver einer Kbrngrösse entsprechend einem Siebdurchgang durch ein Sieb mit Sieböffnungen von 44 Ii (minus 325 mesh) , viobei das Produkt durch Röntgenstrahl en-Unt ersuchung als reines TaAl, charakterisiert wurde.

6) Eisenaluminid - ein feines Pulver einer Korngrösse entsprechend einem Siebdurchgang durch ein Sieb mit Sieböffnungen von 44 η (minus 325 mesh), das auf Grund von Röntgen- _r Strahlen-Untersuchungen als reines PeAl gekennzeichnet wurde.

7) Nickeltitanid - ein feines Pulver einer Korngrösse entsprechend einem Siebdurchgang durch ein Sieb mit Sieböffnungen von 44/U (minus 325 mesh), das auf Grund von Röntgenstrahl en-Unt ersuchungen als reines Ni,Ti gekennzeichnet wurde.

Die in der Tabelle mit A, B und C bezeichneten Mahlbedingungen entsprechen den allgemeinen Bedingungen des Beispiels 1 mit den fo-lgenden Massgaben:

A) 4000 g Einsätze aus mit Cobalt gebundenem Wolframcarbid werden in einer T,3 Liter-Stahlwalze bzw. -mühle mit 375 ml "Soltrol"-Öl verwendet.

B) 14 000 g Einsätze aus mit Cobalt gebundenem Wolframcarbid werden in einer .38 Liter-(one gallon)-Stahlmühle bzw. -walze mit 814 ml "Soltrol"-Öl verwendet.

C) 6000 g Einsätze aus mit Cobalt gebundenem Wolframcarbid werden in einer 1,3 Liter-Stahlmühle mit 375 nil "Soltrol"-öl verwendet.

Der in dier Tabelle angegebene Presszyklus entspricht den allgemeinen Bedingungen des Beispiels 1 mit Ausnahme der Temperatur, bei der die Probe und die Form in die heisse Zone eingebracht wird, der Maximaltemperatur, auf welche die Probe erhitzt wird und der Haltezeit bei der Maximaltemperatur. Di e-

- 28 00983 871937

se drei Variablen sind für jedes Beispiel in der Tabelle angegeben/ ' ^^ /

Die Metallschneidtests in der Tabelle entsprechen den allgemeinen Bedingungen derSchneidversuche in Beispiel i mit
den folgenden zusätzlichen Merkmalen: Hochgeschwindigkeits-Drehteöt an lOA^TKöhlenstoffstaiii .AISI (Brinell-Härte^ -183) } die Geschwindigkeit "beträgt 270 Oberflächenmeter je Minute (900 SFM); die Zufuhr beträgt 0,15 mm (0,005 inch) ^e Umdrehung (IPR); die Schneidtiefe beträgt 1_N,2 mm (0,050 inch)

(iaKej
und es besteht negatives Abstreichend Gleichmässiger und

lokaler Flankenabrieb wird nach lOminütigem, trockenem Drehen gemessen.

-"ν ί ν '

001838/193 7 ■ . obiqinal inspected

Tabelle

Bei

ι

Yol.%

Al₀O,

Palvermass e

inter

Hahlbe—

•

Herstellung und

Fertigung

- Max.

Halte

_t

3

Quer—

'S

p

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Hochge-

Lei

-

sehr

N>

g

2 3

metalli

dingun-

Varmpres szyklus

temp.

zeit

bruchfe-

Metallschneidtest J-,

(120)

schwmdig-

stungs

gut

O

sche Phase

sche Phase

gen

°C

b.Max.

stigkeit

Art des

(T.R. , K-DSi)

keitsdrehen

fähigkeit

Kohlenstoff- /^

spiel

temp.

1000 kg/cm

Tests

v. grauem,

S bcLQJ.
(50 + E_c)

Nr.

o_c

min.

6

(140)

9,8

gegossenem

Hochge-

30

25 NiAl

B

1600

4

(140)

Eisen

sehr

schv/indig-

gut

Vol.%

131

45 TiC

162 "">

Drehen von

gut

keitsdrehen

g

24,4

244

30,2

1500

•

gehärtetem

von Kohlen

4

Gew.%

4-5,5

stoffstahl

4

10,5

Hochge

Vol.*

(150)

schwindig

g

50

10 Ni_xTi

A

1400

keitsdrehen

O
ο

Gew.%

59,7

40 ZrC

23,35- -

von grauem,

(P

-

36,4

80,2

14,6

1000

gegossenem

OO
£ .%

5

-

49,0

Eisen

U
OO

Vol.%

60

10 TaAl,

A

1800

/19

g

95

10 TaC

42 ⁵

Gev.%

52,5

43,7

23,2

1500

-J

6

24,2

25

10 CoAl

C

1700

29,8

65 TiN

18,05

19,5

105

11,8

1175

7

68,6

CD CO CD

Claims

λ . 20USI69S

& ν-" ■' - '3Ä ^S# ^** ¹^⁷⁰

B a ten t a ns ·ρ rue he

Dichte, hochwärmebeständige Masse, dadurch gekennzeichnet, dass sie im wesentliehen aus: .

(1) 20 "bis 80t Vol.% Aluminiumoxid,

(2) 10 bis 7® Vo1.% einer metallischen Verbindung aus Titancarbid, Titannitrid, ZirkoniumGarbidj ZirkO'-niumnitrid, Mo"bcarbid, Hiobnitrid, TantalearlDid, Tantalnitrid oder Gemischen davon,

(.5) 2 Ms JO Vol.% einer intermetallischen Verbindung aus Eisenaluminid, Eisentitanid, Gofealtaluminid, CpTsalttitanid, Hiekelaluminid, Uickeitit,anid,. Wolframaluminid, Molybdänaluminid, MpjOaluminid, Tantalaluminid, Titanaluminid, Zirkona-umalüminid oder Gemischen davon

"besteht, Wobei die Masse die weiteren Begrenzungen aufweist, dass '.'"--"■ -".■

(A) die durchschnittliche Korngrösse kleiner als 10 ja

(B) die Masse aus zwei sich gegenseitig durchdringenden dreidimensionalen Netzstrukturen aufgebaut ist,: .wobei· eine Netzstruktur im wesentlichen aus•Aluminiumoxid und die andere Netzstruktur im wesentlichen aus der metallischen ;Und der intermetallischen Verbindung besteht und . · .

(C) der Volumenprozentgehalt der metallischen Verbindung nicht geringer sein darf als.der Volumenprpzentgehalt der intermetallischen Verbindung.

2. Hochwärmebeständige Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Volumenprozentgehalt an Alumini umoxid^ziwtschen $0 bis 70 liegt. - . " ■

009838/1 Ö3t ι—η

ORIGINAL INSPECTED

20Ü9696

J. Hochwärmebeständige Masse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenprozentgehalt an Aluminiumoxid zwischen 40 und 60 liegt.

4·. Hochwärmebeständige Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Volumenprozentgehalt der metallischen Verbindung zwischen 15 und 4-5 liegt.

5· Hochwärniebeständige Masse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenprozentgehalt der metallischen Verbindung zwischen 20 und 40 liegt.

6. Hochwärmebeständige Masse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die metallische Verbindung aus
Titannitrid, Titancarbid, Zirkoniumnitrid und/oder Zirkoniumcarbid besteht.

7· Hochwärmebeständige Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Volumenprozentgehalt der intermetallischen Verbindung zwischen 3 und 25 liegt.

8. Hochwärmebeständige Masse nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenprozentgehalt der intermetallischen Verbindung zwischen 4 und 20 liegt.

9. Hochwärmebeständige Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die intermetallische Verbindung aus Eisenaluminid, Cobaltaluminid und /oder Nickelaluminid besteht. ■

10. Hochwärmebeständige Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Korngrb'sse weniger als 5 ja. beträgt.

009838/1937

«54-0. ■

11. Dichte, hochwärmebeständige Masse, dadurch gekennzeichnet, dass sie im wesentlichen aus : ■

(1) 40 bis* 60 Vol.% Aluminiumoxid,

(2) 20 bis 40 Vol.% einer metallischen Verbindung aus Titannitrid, Titancarbid, Zirkoniumnitrid und/oder Zirkoniumearbid und

(5) 4 bis 20 Vol.% einer intermetallischen Verbindung aus Eisenaluminid, Cobaltaluminid und/oder Nickelaluminid

besteht, wobei die Zusammensetzung die weitere Begrenzung aufweist, dass: ·

(A) die mittlere Korngrösse weniger als 5 M ist» ^αη(1

(B) die Masse aus zwei sich gegenseitig durchdringenden dreidimensionalen Netzstrukturen aufgebaut ist, wobei eine Netzstruktur im wesentlichen aus Aluminiumoxid und die andere Netzstruktur im wesentlichen aus der metallischen und der intermetallischen Verbindung besteht.

12. ' Verfahren zur Herstellung einer dichten, porenfreien,

hochwärmebeständigen Masse, die aus zwei sich gegenseitig durchdringenden Netζstrukturen aufgebaut ist, von denen eine im wesentlichen aus Aluminiumoxid und die andere im wesentlichen aus einer metallischen und einer intermetallischen Verbindung besteht, dadurch gekennzeichnet, dass:

(1) 20 bis 80 Vo1.% Aluminiumoxid,

(2) 10 bis 78 Vol/.% einer metallischen Verbindung aus Titancarbid, Titannitrid, Zirkoniumearbid, Zirkoniumnitrid, Niobcarbid, Niobnitrid, Tantalcarbid, Tantalnitrid oder Gemische davon und

(3) 2 bis 50 Vol.% einer intermetallischen Verbindung aus Eisenaluminid., Eisentitanid, Cobaltalurainid, Cobalttitanid, Niekelaluminid, Nickeltitanid,

- 33 -■ ' 009838/T937

20Ü9696

G Oh

VoIf ramaluminid,. Molybdänaluminid, Ni ob al umini d, Q?antalaluminiά, Titanaluminid, Zirkoniumaluminid oder Gemische davon, wobei jedoch der Volumenprozentgehalt der metallischen Verbindung nicht geringer sein darf als der Volumenprozentgehalt der intermetallischen Verbindung,

miteinander vermählen werden, bis die Bestandteile homogen vermischt sind und die mittlere Teilchengrösse weniger als 10 ai beträgt, dass ohne Anwendung von Druck erhitzt wird, so dass flüchtige Verunreinigungen entweichen können und anschliessend unter Druck zur. Sinterung erhitzt wird.

-.34 -

009838/19 37