DE2014312C3 - Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus hitzebeständigen Stoffen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen durch Heißpressen hitzebeständiger Ausgangsstoffe in einer zusammenpreßbaren Form.

Kleinere Gegenstände aus hitzebeständigen Stoffen, z. B. aus den Bonden, Carbiden, Nitriden und Oxiden von Titan, Zirkon, Tantal, Bor u.dgl., lassen sich nur schwierig in größeren Mengen herstellen. Man verwendet hierfür verschiedene Herstellungsverfahren, in der Regel das Pressen in der Wärme und das Vorformen mit anschließendem Sintern. Das letztere Verfahren wird häufig angewendet, wenn das hitzebeständige Material sich während des Sinterns verdichtet. Verarbeitet man ein solches Material auf diese Art, so können große Mengen wirtschaftlich hergestellt werden. Verwendet man aber ein hitzebeständiges Material, das sich beim Sintern nicht verdichtet oder wobei das Endprodukt eine hohe Dichte, ein feines Korn und eine hohe Festigkeit haben soll, so muß man in der Hitze pressen. Hierbei kann man nach den bisherigen Verfahren in einem einzelnen Preßgang nur eine kleinere Menge von Gegenständen herstellen, weshalb dieses Verfahren für die Herstellung in größerem Maßstabe nicht wirtschaftlich ist. Gewöhnlich verpreßt man eine größere Masse von hitzebeständigem Material in der Hitze und stellt daraus kleinere Gegenstände durch spanabhebende Bearbeitung her. Diese Bearbeitung erfordert viel Zieit und ist teuer, sie ist auch schwierig durch die Art deü in Betracht kommenden dichten und harten Materials. <>5 Häufig müssen Diamanten zum Schneiden und Schleifen verwendet werdem.

Das Schneiden mit Diamanten kann auch die Oberfläche der Gegenstände aus dem hitzebeständigen Material schädigen. Beim Schneiden entstehen örtlich hohe Temperaturen und hohe Kräfte, die zu mikroskopischen Sprüngen, Restspannungen und Kernen für weitere Sprünge führen können. Durch das Schneiden und auch durch das Mahlen mit Hilfe von Diamanten werden also die Festigkeiten der Gegenstände aus dem hitzebeständigen Material beeinflußt

Es ist auch bekannt zum Ausbilden von Gegenständen eine zusammenpreßbare Form zu verwenden (US-PS 33 83 737). Jedoch wurde als Formmaterial poröses Keramikmaterial verwendet, wodurch nur eine begrenzte Maßhaltigkeit der gepreßten Teile gewährleistet ist

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vielzahl von verdichteten, feuerfesten Artikeln in einem Arbeitsgang herzustellen.

Diese Aufgabe wird erfmdungsgemäß dadurch geiös!. daß vorgeformte Körper aus den hitzebeständigen Ausgangsstoffen in Aushöhlungen in einer Form aus expandiertem Graphit eingefüllt werden, worauf bei erhöhter Temperatur parallel zur Expansionsrichtung des Graphits ein Druck ausgeübt wird, der das hitzebeständige Material auf zumindest 90% seiner theoretischen Dichte zusammenpreßt. Durch die Verwendung expandierten Graphits (vgl. US-PS 34 04 061) als zusammenpreßbare Form wird eine hohe Maßhaltigkeit der Produkte erreicht, die Dimensionsänderungen übersteigen nicht 4%.

Bei einem derartigen Verfahren wird vorzugsweise eine Form aus expandiertem Graphit, der senkrecht zur Ebene der Kohlenstoffringe zumindest um das 80fache seiner ursprünglichen Ausdehnung expandiert wurde, verwendet. Als hitzebeständiges Material, das bei einer Temperatur von mindestens 1350°C und einem Druck von mindestens 110 kg/cm² zusammengepreßt wird, werden insbesondere Titandiborid, Borcarbid, Bornitrid, Aluminiumoxid, Wolframcarbid, Gemische von Titandiborid, Gemische von Titandiborid und Tantalcarbid, Gemische von Wolframcarbid und Kobalt oder Gemische von Zirkondiborid und Tantalnitrid verwendet.

Weiter besteht die Möglichkeit, mehrere übereinandergestapelte zusammenpreßbare Formen mit Aushöhlungen zu verwenden, die durch plattenförrnige Abstandshalter aus einem hitzebeständigen Material voneinander getrennt s«nd.

Durch dieses Verfahren ist es möglich, eine große Menge von maßhaltigen hitzebeständigen Gegenständen herzustellen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Darstellungen eines Ausführungsbeispiels sowie aus der dazugehörigen Beschreibung. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung, mit w elcher das Verfahren ausgeführt werden kann,

F i g. 2 eine Seitenansicht einer anderen Vorrichtung mit mehreren übereinandergestapelten zusammendrückbaren Aufnahmegliedern,

F i g. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 nach F i g. 2.

In der Fig. I ist eine Vorrichtung 10 zum Heißpressen mit einer Preßform 12 und Preßkolben 14 und 16 abgebildet. Die Stirnfläche 18 und 20 der Preßkolben 14 und 16 stehen in direkter Berührung mit dem zjsammendrückbaren Aufnahmeglied 22. Durch dieses führen Bohrungen 24, 26 und 28. Zwischen den Stirnflächen der Kolben und den Oberflächen des Aufnahmegliedes kann ein Zwischenmaterial angeord-

net sein, um das Ausstoßen zu erleichtern. Die bohrungen sind ausgefüllt mit Vorpreßlingen. Die für das Verfahren erforderliche Wärme wird geliefert durch eine Heizvorrichtung, z. B. durch Induktionsspulen 30. Bei der Durchführung des Verfahrens füllt man die Bohrungen des Aufnahmegliedes mit vorgeformten Körpern aus dem hitzebeständigen Materia!. Dann setzt man das Aufnahmeglied in die Preßvorrichtung zwischen d«: Preßkolben 14 und 16 ein. Vor der gleichzeitigen Anwendung von Hitze werden dann die Preßkolben gegen das eingesetzte Aufnahmeglied hin bewegt. Der Druck wird fortgesetzt, bis das hitzebeständige Material die gewünschte Dichte erreicht hat, die in der Regel nahe der theoretischen Dichte liegt. Dann zieht man die Preßkolben zurück und entfernt die Gegenstände aus den Bohrungen. Anschließend kann das Verfahren mit einem anderen Aufnahmeglied wiederholt werden.

Die Fig.2 zeigt wie man erfindungsgemäß die Ausstoßmenge erhöhen kann. Mehrere Aufnahmeglieder 32 sind übereinandergestapelt in Richtung der Bewegung der Preßkolben 14 und 16. Zwischen den Aufnahmegliedern sind plattenförmige Abstandshalter 34 angeordnet. Der Druck vor, den Preßkolben wird auf die Vorpreßlinge aus dem hitzebeständigen Material in den einzelnen Aufnahmegliedern übertragen, wobei die plattenförmigen Abstandshalter die Aufnahmeglieder während des Zusammenpressens halten.

Ein hierfür geeignetes Aufnahmeglied ist in der F i g. 3 abgebildet. Man sieht, daß es verschiedene Anordnungen von Bohrungen haben kann. Die Bohrungen nach der F i g. 3 sind kreisförmig angeordnet, wobei sowohl das Aufnahmeglied 32 als auch die einzelnen Bohrungen 36 kreisförmig sind. Man kann aber natürlich auch andere Anordnungen oder Abmessungen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwenden.

Vorzugsweise haben die plattenförmigen Abstandshalter 34 nach F i g. 2 Eigenschaften, die denen der Aufnahrneglieder entsprechen. Verwendet man also Aufnahmeglieder aus expandiertem Graphit, so bestehen die Abstandshalter ebenfalls aus diesem Graphit. Es lassen sich aber verschiedene Materialien für die Abstandshalter verwenden, wenn die Festigkei'en und die chemischen Verträglichkeiten das zulassen.

Beispiel 1

Pulverförmiges Titandiborid mit mittleren Teilchendurchmessern von etwa 3,3 μπ\ wurde mit 3% einer Epoxydharz enthaltenden Binderlösung gemischt. Das Gemisch wurde in der Kälte unter einem Druck von 280G kg/cm² zu 28 Vorformen von je etwa 9 g zusammengepreßt. Die Vorformlinge hatten einen Durchmesser von 1,91 cm und eine Höbe von 0,762 cm. Die zylindrischen Vorformünge wurden dann 2 Stunden lang bei 150⁰C vorgehärtet. Sie hatten danach eine Dichte von 3 g/cm³. Vier zusammendrückbare Aufnahmeglieder aus expandiertem Graphit mit Durchmessern von 7,62 cm und Höhen von 0,762 cm mit einer Dichte von 0,75 g/cm³ wurden mit kreisförmigen in gleichem Abstande voneinander angeordneten Bohrungen mit Durchmessern von 1,915 cm versehen. Die Vorformlinge wurden in die Bohrungen eingcbra^li. und das Ganze wurde dann in eine Preßform aus Graphit eingesetzt. Es wurde 30 min lang bei einer Temperatur von 1800⁰C und einem Druck von 140 kg/cm² gepreßt. Dann kühlte ⁽¹? man unter Aufrechterhakung des Druckes auf unter 600⁰C ab, worauf der Druck beseitigt wurde. Die FormkörDer aus TiB₂ hatten während des Verfahrens einen Durchmesser von etwa 1,974 cm erhalten. Die mittlere Dichte der Formkörper betrug 4,45 g/cm³, was etwa 99% der theoretischen Dichte entspricht.

Beispiel 2

Pulverförmiges Aluminiumoxid hoher Reinheit mit mittleren Teilchendurchmessern von etwa 0,3 μτη wurde in der Kälte in einer Stahlform bei einem Druck von 1260 kg/cm² zu zwei Vorformlingen gepreßt. Jeder Vorformling hatte ein Gewicht von 3,4 g. Abmessungen von 1,27 χ 1.27 χ 1,27 cm und eine Dichte von 1.7 g/cm³. In ein zusammendrückbares Aufnahmeglied aus expandiertem Graphit mit einer Dicke von 1,27 cm wurden zwei quadratische Vertiefungen mit Seitenlängen von 1,32 cm eingestanzt. Das Aufnahmeglied hatte eine Dichte von 0,75 g/cm³. Das Ganze brachte man in eine Preßform aus Graphit mit einem Durchmesser von 3,81 cm. 30 min lang wurde dann unter einem Druck von 315 kg/cm² bei 145O⁰C gepreßt. Man hielt den Preßdruck aufrecht, bis die Form unter 600" C abgekühlt war. Nach dem Abkühlen ließen sich die Formkörper aus Aluminiumoxid (AI₂O₃) leicht aus dem Aufnahmeglied entfernen, ohne daß hierzu zusätzliche Hilfsmittel benötigt wurden. Die erhaltenen Preßkörper hatten eine mittlere Dichte von 3,98 g/cm³, was die theoretische Dichte fast erreicht. Die Preßlinge, die ursprünglich eine Kantenlänge von !,27 cm hatten, besaßen nunmehr eine Kantenlänge von maximal 1,35 cm. Die Härte nach dem Verfahren von Reichert mit einer Belastung von 100 g auf einer Diamanipyramide betrug 2200 kg/ mm².

Beispiel 3

Ein Gemisch aus 94% Wolframkarbid und 6% Kobald wurde in einer Kugelmühle in Benzin etwa 72 h lang gemahlen, wobei Teilchengrößen von etwa 1,0 μπι erreicht wurden und das Kobalt in den Teilchen aus Wolframkarbid dispergiert wurde. Man verdampfte die Flüssigkeit und reduzierte dann das Pulver in Wasserstoff bei 70O⁰C. Dann preßte man das Pulver in der Käite bei einem Druck von 1260 kg/cm² zu Vorformlingen von 1,27 χ 1,27 χ 1,01 cm. Ein zusammendrückbares Aufnahmeglied aus expandiertem Graphit mit einer Dichte von 0,7 g/cm³ und einem Durchmesser von 3.81 cm wurde dann durch Stanzen mit Löchern von 1.27 χ 1.27 cm versehen. In diese Löcher brachte man die Vorformlinge und setzte das Ganze in eine Preßform aus Graphit mit einem Innendurchmesser von 3,81 cm ein. Es wurde 45 min lang unter einem Druck von 110 kg/cm² auf 135O⁰C erhitzt. Hierbei wurde der Druck allmählich erhöht, bis die Temperatur von 1300⁰C erreicht war. Unter Druck wurde dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Kantenlänge der Preßkörper hatte gegenüber der ursprünglichen Kantenlänge nur um etwa 0,635 cm zugenommen. Die fertigen Preßkörper hatten eine Dichte von 14,94 g/cm³, was etwa 99,3% der theoretischen Dichte entspricht, und die Härte betrug 92.64 HRa.

Beispiel 4

Hochreines pulverförmiges Titandiborid und hochreine Gemische aus pulverförmigem Tantalkarbid und Titandiborid, aus Titankarbid und Titandiborid and aus Zirkondiborid und Tantannitrid wurden verwendet. Die Mischungen wurden aus Pulvern mii Teilchendurchmessern von 1,5 bis 3,5 μνη hergestellt. Jede Mischung wurde nach Beispiel 1 hergestellt. Aus jeder Mischung oder Zusammensetzung wurden Vorpreßlinge von

1,27 χ 1,27 χ 1,27 cm durch Kaltpressen bei 2800 kg/cm² in einer Stahlform hergestellt. Vier zusammendrückbare Aufnahmeglieder aus expandiertem Graphit mit Durchmessern von 15,9 cm, einer Dicke von 1,27 cm und einer Dichte von 0,75 g/cm³ wurden hergestellt. In jedes dieser Aufnahtneglieder wurden in Abständen von 0,48 cm quadratische Löcher mit 1,33 cm Kantenlänge eingestanzt. In jedes dieser Löcher wurde eine, der vorgeformten Körper eingefüllt. In der Preßform befanden sich zwischen je zwei Aufahmegliedern Abstandshalter aus Graphit mit einer Dicke von 5,08 cm. Es wurde 30 min lang bei einem Druck von 175 kg/cm² und einer Temperatur von 215O⁰C gepreßt. Der Druck wurde während des Abkühlens unter 600⁰C aufrechterhalten. Alle 208 Einsätze zeigten nach dem Pressen nur eine geringe seitliche Ausdehnung von 1,33 cm auf etwa 1,49 cm. Das entspricht einer Zunahme der Kantenlänge von 0,051 cm. Durch Eintauchen in Wasser wurde die Dichte von 14 der 52 Preßkörper aus Titankarbid und Titandiborid gemessen, wobei Werte von 99,0 bis 99,5% der berechneten theoretischen Dichte festgestellt wurden. Zur Messung ihrer Dichte wurden alle 52 Preßkörper aus Titandiborid in Wasser getaucht. Hierbei wurden Dichten von 4,36 bis 4,42 g/cm³ festgestellt, was 96,5 bis 97,5% der theoretischen Dichte entspricht.

Beispiel 5

Hochreines pulverförmiges 3orkarbid mit mittleren Teilchendurchmessern von 5,0 μπ\ wurde mit 3% einer Binderlösung mit Epoxydharz gemischt. 24 Vorformlinge von je 0,60 g wurden durch Kaltpressen bei einem Druck von 3500 kg/cm² aus diesem Gemisch erhalten. Die Vorformlinge hatten Durchmesser von 0,720 cm und eine Höhe von 1,27 cm. Nach dem Aushärten während 2 Stunden in einem Ofen bei 150⁰C hatten die Vorpreßlinge eine Dichte von I,b4 g/cm³, was 65% der theoretischen Dichte von 2,52 entspricht. Zwei Aufnahmeglieder aus expandiertem Graphit mit Durchmessern von 3,81 cm, Dicken von 1,27 cm und Dichten von 0,75 g/cm³ wurden verwendet. In jedes dieser Aufnahmeglieder wurden zwölf Löcher mit Durchmessern von 0,653 cm gebohrt. Dann brachte man die Vorpreßlinge in die Löcher. In einer Preßform aus Graphit waren die beiden ^ufnahmeglieder durch einen Abstandshalter aus Graphit mit einer Dicke von 1,91 cm getrennt. Das Pressen wurde nach Beispiel 2 durchgeführt mit der Ausnahme, daß man einen Druck von 140 kg/cm² und eine Temperatur von 220O⁰C ai.wendete. Durch Eintauchen in Wasser wurde bei mehreren Preßkörpern festgestellt, daß sie die theorelische Dichte von

ίο 2,52 g/cm³ erhalten hatten. Eine geringe Vergrößerung der seillichen Abmessungen von höchsten 0,737 cm wurde festgestellt.

Die Form und die Abmessungen der Preßkörper aus hitzebeständigem Material ist lediglich abhängig von

'5 den Werkzeugen. Wenn man die gewünschte Form durch S.tanzen oder durch spanabhebende Bearbeitung der Aufnahmeglieder erhalten kann, so könnten in einem Arbeitsgang leicht zahlreiche Endprodukte ähnlicher Form erhalten werden. Man kann also erfindungsgemäß hochdichte, hitzebestäriidige Teile für Werkzeige, Düsen, Getriebe, Unterlegscheiben u.a. herstelkn.

Besonders wertvoll ist das erfindungsg< mäße Verfahren zur Herstellung von schneidenden Werkzeugen aus

*5 hitzebeständigem Material. Hierzu können auch harte keramische Materialien verarbeitet weiden, wie z.B. Gemische von Tantalnitrid und Zirkondiborid. Aus ihnen kann man wirtschaftlich die Schneiden von Werkzeugen herstellen. Andere hitzebesiändige Stoffe.

wie Wolframkarbid, Aluminiumoxid, Tita idiborid u. dgl. können ebenfalls leicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitet werden.

Die Arbeitszeit, die Temperatur und der Druck sind abhängig von dem verwendeten Ausgangsmaterial. wie die Beispiele es zeigen. In der Regel verwendet man eine Temperatur von wenigstens 180(¹⁰C und einen Druck von wenigstens 140 kg/cm² zum Heißpressen der nmslen hitzebeständigen Boride, Nitride und Karbide von hitzebeständigen harten Metallen. Ein Fachmann kann im einzelnen Falle feststellen, welche optimalen Arbeitsbedingungen eingehalten werden sollen, um gute Gegenstände hoher Dichte zu gewinnen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Gegenständen durch Heißpressen hitzebeständiger Ausgangsstoffe in einer zusammenpreßbaren Forin, dadurch gekennzeichnet, daß vorgeformte Körper aus den hitzebeständigen Ausgangsstoffen in Aushöhlungen in einer Form aus expandiertem Graphit eingefüllt werden, worauf bei erhöhter Temperatur parallel zur Expansionsrichtung des Graphits ein Druck bis zur Erreichung von mindestens 90% der theoretischen Dichte der Ausgangsstoffe ausgeübt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichriet, daß eine zusammenpreßbare Form aus expandiertem Graphit verwendet wird, der senkrecht zur Ebene der Kohlenstoffringe zumindest um das 80fache seiner ursprünglichen Abmessung expandiert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hitzebeständigen Ausgangsstoffe bei einer Temperatur zwischen 1350 und 2200° C, vorzugsweise bei mindestens 1800° C, und einem Druck zwischen 110 und 315 kp/cm², Vorzugsweise bei mindestens 140 kg/cm², zusammengepreßt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere übereinandergestapelte zusammenpreßbare Formen mit Aushöhlungen verwendet werden, die durch plattenförmige Abstandshalter aus einem hitzebeständigen Stoff voneinander getrennt sind.