DE1009399B

DE1009399B - Heat-resistant and wear-resistant lightweight materials and processes for their production

Info

Publication number: DE1009399B
Application number: DED10949A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Habil Walter Dawihl
Original assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Current assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Priority date: 1951-11-21
Filing date: 1951-11-21
Publication date: 1957-05-29

Description

Warmfeste und verschleißbeständige Leichtwerkstoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung Für die Herstellung zunderfester und hochwarmfester Werkstoffe, insbesondere mit guter Kriechfestigkeit, sind bereits Werkstoffe vorgeschlagen worden, die als Grundlage Oxyde, Karbide, Nitri.de, Silizide, Boride, Phosphide und Sulfide der Metalle der 4., 5. und 6. Gruppe sowie des Aluminiums und Ma: gnesiums, und zwar einzeln oder im Gemisch miteinander enthalten, wobei eine Anpassung dieser Werkstoffe an die mechanische Festigkeit, Verschleißfestigkeit, Kalt- und Warmhärte sowie Ternperaturwechselbes.tändigkeit dadurch zu erzielen gesucht wunde, daß den Grundstoffen noch zusätzlich Metalle, wie Nickel, Kobalt, Eisen und Chrom, zugefügt wurden. Beispiiedsweise bestehen derartige zunder- und kriechfeste Werkstoffe aus einer Mischung von 30% Chromkarbid, 55°/o Tita-nkarbid, 5% Nickel und 10% Kobalt. Es ist bereits vorgeschlagen worden, derartige Mischungen in ihren Eigenschaften durch Zusätze von Siliziumkarbid, Siliziumborid oder Alumainiumsilizid bzw. durch Silizium insbesondere hinsichtlich ihrer Oxydationsbeständigkeit sowie ihrer Verwendbarkeit zu Formkörpern bestimmter Art zu verbessern. Mischungen dieser Art haben im allgemeinen spezifische Gewichte zwischen 5 und 7, wobei das spezifische Gewicht insbesondere durch den Zusatz metallischer Elemente, wie Kobalt, Nickel oder Eisen, erhöht wird.Heat-resistant and wear-resistant lightweight materials and processes for their production For the production of scale-resistant and high-temperature-resistant materials, in particular with good creep resistance, materials have already been proposed, which are based on oxides, carbides, Nitri.de, silicides, borides, phosphides and sulfides the metals of the 4th, 5th and 6th group as well as aluminum and magnesium, and although contained individually or in a mixture with one another, an adaptation of this Materials in terms of mechanical strength, wear resistance, cold and hot hardness and to achieve resistance to changes in temperature by the fact that the Metals such as nickel, cobalt, iron and chromium are also added to basic materials became. For example, such scale-resistant and creep-resistant materials consist of a mixture of 30% chromium carbide, 55% titanium carbide, 5% nickel and 10% cobalt. Such mixtures have already been proposed in terms of their properties by adding silicon carbide, silicon boride or aluminum silicide or by Silicon in particular with regard to its resistance to oxidation and its usability to improve moldings of a certain type. Mixtures of this type generally have specific gravity between 5 and 7, with specific gravity in particular by adding metallic elements such as cobalt, nickel or iron.

Es hat sich gezeigt, daß insbesondere im Flugzeugbau zunderfeste, warmfeste und verschleißbeständige Werkstoffe gebraucht werden, die gleichzeitig ein möglichst niedriges spezifisches Gewicht haben. Es wind deshalb angestrebt, Werkstoffe zu finden, die möglichst günstiges Verhalten in bezug auf die ;genannten Eigenschaften, bezogen auf die Einheit des spezifischen Gewichtes, haben.It has been shown that scale-resistant, Heat-resistant and wear-resistant materials are needed, which at the same time have the lowest possible specific weight. The aim is therefore To find materials that have the most favorable behavior with respect to the; mentioned Properties related to the unit of specific weight.

Von diesen Werkstoffen wird außer Zunderbeständigkeit und Warmfestigkeit auch in bestimmten Fällen Verschleißbeständigkeit verlangt, wie beispielsweise bei den Verteilerkörpern in Gasturbinen, die Temperaturen von 900° C und mehr und gleichzeitig der erodierenden Wirkung schneller Gasströme ausgesetzt sind.These materials are not only resistant to scaling and heat resistance wear resistance is also required in certain cases, for example in the distributor bodies in gas turbines, the temperatures of 900 ° C and more and at the same time are exposed to the erosive effect of rapid gas flows.

Erfindungsgemäß hat sich nun ergeben, daß eine besonders günstige Verbindung von inecha,nischen und thermischen Eigenschaften mit gleichzeitig verhältnismäßig niedrigem spezifischem Gewicht sich dann erreichen läßt, wenn Oxyde, Karbide und Boride der Metalle der 4., 5. und 6. Gruppe sowie des Aluminiums, Berylliums und Magnesiums mit Ausnahme von Wolfram und Tontal mit Aluminium-Silizium-Mischungen gebunden werden, wobei der Anteil an Aluminium-Silizium zwischen 5 und 60% der Gesamtmischung betragen soll. Das Verhältnis von Aluminium und Silizium richtet sich dabei insbesondere nach der verlangten Warmfestigkeit. Beispielsweise ist für die Herstellung von Werkstoffen für niedrigere Temperaturen ein Verhältnis von 5 Teilen Silizium zu 95 Teilen Aluminium zu wählen, während für hohe Temperaturen der Siliziumanteil 501/o und mehr betragen kann.According to the invention it has now been found that a particularly favorable Combination of inechaic, niche and thermal properties with at the same time proportionate Low specific weight can be achieved when oxides, carbides and Borides of the metals of the 4th, 5th and 6th group as well as aluminum, beryllium and Magnesium with the exception of tungsten and tontal with aluminum-silicon mixtures be bound, the proportion of aluminum-silicon between 5 and 60% of the total mixture should be. The ratio of aluminum and silicon depends in particular according to the required high temperature strength. For example, is for the production of materials for lower temperatures a ratio of 5 parts silicon to 95 parts aluminum to choose, while for high temperatures the silicon content is 50/1 and more can.

Die Herstellung von Gebrauchskörpern aus dem genannten Mischungen kann nach dem Schmelz- oder Sinterverfahren erfolgen, wobei das Sinter-verfahren insbesondere dann in Betracht kommt, wenn es sich um die Herstellung warm- und hochwarmfester Werkstoffe handelt, bei denen der Anteil an Aluminium-Silizium gering und außerdem ein hoher Siliziumgehalt im Verhältnis zum Aluminium anzuwenden ist.The production of utility bodies from the mixtures mentioned can be done according to the melting or sintering process, the sintering process especially when it comes to the manufacture of heat-resistant and high-temperature resistant materials Materials are in which the proportion of aluminum-silicon is low and moreover a high silicon content in relation to aluminum is to be used.

Bei Mischungen derartiger Art sind spezifische Gewichte unter 4,5 erreichbar.For mixtures of this type, specific weights are below 4.5 accessible.

In den Fällen, in denen besondere Anforderungen an die Zugfestigkeit gestellt werden, können in die Mischungen auch Drähte oder netzartige Gitter eingeschmolzen oder eingepreßt und eingesintert werden, beispielsweise aus Stahl, legiertem Stahl, legiertem Wolfram und Molybdän oder reinem Wolfram oder reinem Molybdän oder anderen geeigneten Metallen.In those cases where there are special requirements for tensile strength are placed, wires or mesh-like grids can also be melted into the mixtures or pressed in and sintered in, for example made of steel, alloy steel, alloyed tungsten and molybdenum or pure tungsten or pure molybdenum or others suitable metals.

Außerdem können die Formkörper noch zusätzlich mit keramischen Stoffen oder mit Emaillen überzogen werden, um sie gegen angreifend wirkende feste, flüssige oder gasförmige Stoffe zu schützen.In addition, the moldings can also be coated with ceramic materials or coated with enamels to protect them against aggressive solid, liquid or to protect gaseous substances.

Die Formgebung kann in an sich bekannter Weise nach Gießverfahren, durch Pressen und Sintern, durch Sinterung unter gleichzeitiger Druckeinwirkung und auch durch nachträgliches Kalt- und insbesondere Warmschmieden erfolgen.. Es kann in manchen Fällen auch von Vorteil sein, im Aluminium-Silizium-Teil das Aluminium durch Magnesium und das Silizium BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND KL.40b 17 INTERNAT. KL. C 22 c DEUTSCHES PATENTAMT AUSLEGESCHRIFT 1009399 D I0949 VI/40b ANMELDETAG: 21.NOVEMBER1951 BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 29. MAI 1957 durch Bor oder Germanium ganz oder teilweise zu ersetzen. Beispielsweise werden Mischungen folgender Art verwendet: Beispiel I Beispiel II Titankarbid . . . . . . . . . . . . . 800/0 200/0 Vana,dinkarbi,d . . . . . . . . . . --- 1510/0 . Chromkarbid . . . . . . . . . . . 5% 5 0/0 Aluminium ............. 100/a 40%, Silizium ................ 5'% 10o/o Bor .................... - 2% Magnesium . . . . . . . . . . . . . - 8 0/0 1000/0 1000/0 Die Mischungen können vorteilhaft durch Vorerhitzung der Ausgangsstoffe, gegebenenfalls unter Wasserstoffdruck von über 100 kg/em2, hergestellt werden. Die Vorerhitzung unter Druck bei gleichzeitiger Temperatureinwirkung hat das Ziel, eine Mischkristallbildung zwischen den, Ausgangsstoffen hervorzurufen, wobei die Druckeinwirkung das Ausmaß der Mischkristallbildung durch Gitteraufweitung erhöht.The shaping can be done in a known manner by casting processes, by pressing and sintering, by sintering with simultaneous application of pressure and also by subsequent cold and especially hot forging Aluminum through magnesium and silicon FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY KL.40b 17 INTERNAT. KL. C 22 c DEUTSCHES PATENTAMT AUSLEGESCHRIFT 1009399 D I0949 VI / 40b APPLICATION DATE: NOVEMBER 21, 1951 NOTICE OF APPLICATION AND ISSUE OF THE EDITION SCRIPT: May 29, 1957 to be replaced in whole or in part by boron or germanium. For example, mixtures of the following types are used: Example I Example II Titanium carbide. . . . . . . . . . . . . 800/0 200/0 Vana, dinkarbi, d. . . . . . . . . . --- 1510/0. Chromium carbide. . . . . . . . . . . 5% 5 0/0 Aluminum ............. 100 / a 40%, Silicon ................ 5% 10o / o Boron .................... - 2% Magnesium. . . . . . . . . . . . . - 8 0/0 1000/0 1000/0 The mixtures can advantageously be prepared by preheating the starting materials, if appropriate under a hydrogen pressure of over 100 kg / cm 2. The aim of preheating under pressure with simultaneous action of temperature is to cause mixed crystal formation between the starting materials, the action of pressure increasing the extent of mixed crystal formation by widening the lattice.

Die so. vorerhitzten Stoffe werden anschließend zerkleinert, in an sich bekannter Weise geformt und gesintert bzw. geschmolzen. Auch der Sinter- bzw. Schmelzvorgang kann unter Wasserstoffdrücken von über 100 kg/cm2 vorgenommen werden.The so. Preheated materials are then shredded into an formed in a known manner and sintered or melted. The sinter or The melting process can be carried out under hydrogen pressures of over 100 kg / cm2.

Besonders günstige mechanische Eigenschaften werden erhalten, wenn die Herstellung der Ausgangsstoffe und die Verarbeitungsbedingungen bis zum fertigen Formkörper so gewählt werden, beispielsweise durch Verwendung entsprechend feiner Ausgangsstoffe und durch Vorerhitzung und Schmelzen bzw. Sintern unter Wasserstoffdrücken von über 100 kg/cm2, daß das Gefüge im Fertigzustand im Hauptanteil Korngrößen unter 5 [, enthält.Particularly favorable mechanical properties are obtained when the production of the raw materials and the processing conditions up to the finished product Shaped bodies are selected, for example by using correspondingly finer Starting materials and by preheating and melting or sintering under hydrogen pressures of over 100 kg / cm2 that the structure in the finished state is mainly below grain sizes 5 [, contains.

Weiterhin hat sich ergeben, daß insbesondere die chemische Widerstandsfähigkeit der Mischungen begiinstigtwird, wenn bei Verwendung von "Mischungen des Oxyd-, Karbid-, Borid-, Aluminium- und Magnesiumantenles solche Mischungen ausgewählt werden, die unter sich Mischkristalle bilden. Beispielsweise kann vorteilhaft an Stelle einer Mischung von Titankarbid und Titanoxyd ein Ti0-TiC-MiSChkristall oder ein Si0-SiC-Mischkristall verwendet werden. Eine besondere Beeinflussung des Gefüges, und zwar insbesondere der nicht kubischen Kristalle kann auch durch Behandlung der Mischungen mit elektrischen oder magnetischen Feldern oder durch Ultraschall während des Herstellungsganges, z. B. beim Sintern oder während des Erstarrens, oder auch an den fertigen Formkörpern erfolgen.Furthermore, it has been found that, in particular, the chemical resistance of the mixtures is favored if, when using "mixtures of the oxide, carbide, Boride, aluminum and magnesium ate mixtures such mixtures are selected that form mixed crystals among themselves. For example, instead of a Mixture of titanium carbide and titanium oxide a Ti0-TiC-MiSChkristall or a Si0-SiC-mixed crystal be used. A special influence on the structure, in particular The non-cubic crystals can also be obtained by treating the mixtures with electrical or magnetic fields or by ultrasound during the manufacturing process, z. B. during sintering or during solidification, or on the finished molded bodies take place.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Scale-resistant, heat-resistant and wear-resistant Materials characterized by a content of 5 to 60% aluminum-silicon, whereby the remainder of one or more oxides, carbides, borides of the metals of the 4th, 5th and 6th group as well as aluminum, beryllium and magnesium with the exception of tungsten and Tontal exists individually or in a mixture with one another with the standard that the Aluminum-silicon has a silicon content between 5 and 951 / o.

2. Materials according to claim 1, characterized in that the aluminum in the aluminum-silicon part partially or completely replaced by magnesium and the silicon by boron or germanium is.

3. A method for the production of lightweight materials according to claim 1, characterized characterized in that the mixtures of the starting materials are manufactured before processing Moldings hydrogen pressures of at least 100 kg / em2 at elevated temperature get abandoned.

4. A method for the production of lightweight materials according to claim 1, characterized in that the sintering or melting process at hydrogen pressures of at least 100 kg / cmE is carried out at an elevated temperature.

5. Material according to claim 1, characterized in that the mixtures are in a known per se pressed wires or mesh-like grid to receive tensile stresses or sintered.

6. Materials according to claim 1, characterized in that that they additionally in a known manner with ceramic materials or enamels are coated to protect them against aggressive solid, liquid or gaseous Protect fabrics.