NO126078B - - Google Patents

Description

Metallbundne aluminiumoksyd-carbidmaterialer.

Oppfinnelsen angår metallbundne, keramiske skjæreverktøy og

mer- spesielt tette materialer av aluminiumoksyd, titan-, zirkonium-

eller hafniumcarbid, et metall fra jerngruppen og wolfram eller molybden.

Skjærespisser av aluminiumoksyd er velkjente og har lenge

vært brukt. Slike spisser har den fordel at de er meget hårde og slitasjedyktige og har en meget godvarmboyningsstyrke. De er motstandsdyktige overfor errosjon og viser meget liten sveising eller diffundering mellom sponene og spissen. De er også helt oksydasjonsfaste. Disse fordeler motvirkes imidlertid ofte i sterk grad av de keramiske spissers sprohet og manglende seighet og av at de er merkbart tilbbyelige til å gå i stykker på grunn av spenninger, sprekkdannelse og avsplintring.

Flere forsbk er derfor blitt gjort for sammen med aluminium-

oksyd å kombinere materialer som vil motvirke disse ulemper uten samtidig i vesentlig grad å minske de fordeler som rent aluminium-

oksyd har. Det har vært en ofte anvendt praksis å binde aluminiumoksyd med inntil 30 eller h- 0% av et metall for å oke styrken og seigheten. Slike materialer som i alminnelighet benevnes som "cermets", har en bedre varmeledningsevne enn rene aluminiumoksyd-baserte keramiske materialer og en forbedre styrke. Tilstedeværel-

sen av metallet gir imidlertid en merkbar nedsettelse av skjære-spissens generelle slitasjedyktighet.

Tilsetning av carbider til metall-aluminiumoksydmaterialer var

den neste utvikling, og det ble ved denne tatt sikte på å forbedre den slitasjedyktighet og hårdhet som tilsedeværelsen av metallet med-forer. Slike materialer er beskrevet i britisk patent nr. 8K1. 576 og mer detaljert i tysk patent nr. 1.072.182 og britisk patent 821.596. Selv slike kombinasjoner av aluminiumoksyd, carbider og metall har imidlertid en dårlig slitasjedyktighet på grunn av metallet og sprd-

het og dårlig varmesjokkmotstandsevne på grunn av den rekke forskjellige varmeutvidelseskoeffisienter som forekommer i slike blandede ildfaste materialer.

Det har nu vist seg at en kombinasjon av fire spesielle bestanddeler innenfor et snevert mengdeområde gir en aluminiumoksydspiss med uvanlige egenskaper. En kombinasjon av aluminiumoksyd med titan-, zirkonium- eller hafniumcarbid eller blandinger derav, et metall fra jerngruppen og wolfram eller molybden innenfor de forholdsmessige grenser og med de strukturelle egenskaper som vil bli nærmere omtalt, gir således en skjærespiss som har en uvanlig kombinasjon av hårdhet og styrke og som er meget motstandsdyktig overfor slitasje og varmesjokk.

Oppfinnelsen angår således tette, varm- eller kaldpressede metallbundne aluminiumoksydcarbidmaterialer for bruk hvor ildfaste egenskaper er påkrevet, spesielt for bruk i skjæreverktoy, og materialene er særpreget ved at de har en gjennomsnittlig kornstorrelse av under 10 jzm og er sammensatt av to i hverandre inntrengende, tredimensjonale nettverk hvorav det ene består av aluminiumoksyd og det annet av metall og minst ett av carbidene zirkoniumcarbid, hafniumcarbid og titancarbid, idet materialet består i det vesentlige av 20-90 volum- aluminiumoksyd, 5-79 volum- carbid og 1-20 volum- metall som består i det vesentlige av 5-90 vekt# av ett eller fire av metallene jern, kobolt og nikkel og av 10-95 vekt# av minst ett av metallene wolfram og molybden idet volumprosenten av carbid er like eller stbrre enn volumprosenten av metallet.

Disse materialer viser overraskende usedvanlige fordeler sammenlignet med lignende materialer bestående av nær beslektede forbindelser og sammenlignet med materialer av disse samme forbindelser i forskjellige mengder. På grunn av deres usedvanlige egenskaper er materialene ifolge oppfinnelsen meget nyttige for skjæring og frésing av jernlegeringer selv med meget hbye skjære-hastigheter»

Tegningen viser grafisk mengdene av bestanddelene innen sammensetningsgrensene ifolge oppfinnelsen. Området A aom begrenses av den heltrukne linje,er det område hvori sammensetnings-forholdene befinner seg innen grensene ifolge oppfinnelsen. Området B som begrenses av den ujevnt stiplede linje, er det område hvori sammensetningsforhoIdene befinner seg innenfor de foretrukne grenser ifolge oppfinnelsen, og området G som begrenses av den jevnt stiplede linje, er det område innenfor hvilket de mest foretrukne sammensetningsforhold ligger.

De ildfaste materialer ifolge oppfinnelsen består i det vesentlige av aluminiumoksyd, titan-, hafnium- eller zirconium-carbid, et metall- fra jerngruppen og wolfram eller molybden.

(a) Aluminiumoksyd

Aluminiumoksydet er tilstede i materialene ifolge oppfinnelsen i en mengde av 20-90 volum-. Behovet for minst 20 volum- aluminiumoksyd skyldes onsket om at aluminiumoksydet skal være tilstede som en kontinuerlig fase. Aluminiumoksydmengder under 20 volum- er mindre tilfredsstillende på grunn av at aluminiumfasens kontinuitet ga ofte merkbart avbrytes. Tilstedeværelsen av minst 20 volum- aluminiumoksyd sikrer en kontinuerlig aluminiumoksyd-fase under de mest vanlige betingelser.

Aluminiumoksydinnholdet er på den annen side begrenset opp-ad til 90 volum- fordi mer aluminiumoksyd er tilbbyelig til å hindre kontinuiteten til den elektrisk ledende fase av carbid og metall.

Det foretrekkes at aluminiumoksydet skal være tilstede i materialene ifolge oppfinnelsen i en mengde av 40-75 volum-, fortrinnsvis i en mengde av 50-72 volum-, fordi slike mengder gir en sikker garanti for at såvel aluminiumoksydfasen som den elektrisk ledende fase vil være kontinuerlig.

Det aluminiumoksyd som er egnet for anvendelse i materialene Iifolge oppfinnelsen, kan foreligge i flere former forutsatt at Idet er findelt. Det kan således foreligge i form av gamma-,e-<eller a-aluminiumoksyd eller blandinger derav, a-aluminiumoksyd er det foretrukne utgangsmateriale fordi det ikke har et så hbyt .'spesifikt overflateareal som gamma- eller e-aluminiumoksyd og )fordi det som regel vil inneholde mindre adsorbert vann som kan jvære skadelig.

Det aluminiumoksyd som anvendes, bor være tilstrekkelig findelt til at det fåes materialer ifolge oppfinnelsen med en gjennomsnittlig kornstbrrelse av under 10 \ i. Et egnet aluminium-■ 'oksyd-utgangsma.teriale er a-aluminiumoksyd med et spesifikt overflateareal av over 2 m 2 /g, fortrinnsvis 5-25 m 2/g. Aluminiumoksyd med en minste krystallitstbrrelse av under 0,5 målt I ved rbntgenlirijeutvidelsesmetoder, foretrekkes spesielt. Et slikt i aluminiumoksyd kan på enklest måte fåes ved å oppvarme vannfritt ;aluminiumdiacetat til 1200°C i 5 eller flere timer.

Som eksempel på et egnet, kommersielt tilgjengelig aluminium-• oksyd kan nevnes "Alcoa Superground Alumina XA-16" som ved rbntgenundersbkelse er blitt fastslått å være a-aluminiumoksyd med et spesifikt overflateareal av ca. 13 m /g hvilket tilsvarer ; en kuleformet partikkelstbrrelse av ca. 115 m ji.

b) Oarbider

Titan-, zirconium- eller hafniumcarbidet eller blandinger

derav anvendes i materialene ifolge oppfinnelsen i en mengde av

5-79 volum-. Minst 5 volum- carbid må være tilstede da den tilstedeværende carbidmengde ikke må være mindre enn den tilstedeværende metallmengde. Den stbrste carbidmengde som kan være tilstede, er begrenset til 79 volum- fordi minst 20 volum- av materialet må utgjbres av aluminiumoksyd og minst 1 volum- av metall.

Det foretrekkes å anvende 12,6-58 volum-, fortrinnsvis 18-47 volum-, titan-, zirconium- eller hafniumcarbid. Disse mengder er de beste for oppnåelse av de meget gode egenskaper hva gjelder hårdhet og slitestyrke til materialene ifolge oppfinnelsen.

Dé carbider som er egnet for anvendelse i materialene ifolge i oppfinnelsen, er titan-, zirconium- eller hafniumcarbid eller blandinger derav. Disse carbider er tilgjengelige i handelen eller de kan fremstilles ved kjente fremgangsmåter. Carbidene bor ha en partikkelstorrelse av under 5 H, fortrinnsvis under 2 ] i. Dersom utgangsmaterialet har en partikkelstorrelse betraktelig stbrre enn 5 kan det males på forhånd for derved å redusere dets partikkelstorrelse til den aksepterbare stbrrelse. Malingen av bestanddelene i materialene ifolge oppfinnelsen og som utfores for oppnåelse av en hby jevnhetsgrad, vil selvfølgelig be-virke en viss oppdeling av carbidet og de andre utgangsbestand-deler.

Av carbidene foretrekkes det å anvende titancarbid i de tette materialer ifolge oppfinnelsen da det er lett tilgjengelig, gir materialer med en utmerket sammensetning av fysikalske egenskaper og gir en god virkning når det anvendes for skjæring eller frésing av jernlegeringer.

(c) Metaller

Av de metaller som anvendes i materialene ifolge oppfinnelsen, utgjbres ett av et metall fra jerngruppen, d.v.s. jern,- kobolt, nikkel eller blandinger derav, og ett av et tungtsmeltelig metall, d.v.s. molybden, wolfram eller blandinger derav.

Metallene anvendes i en slik mengde at av det samlede metallinnhold utgjor jern, kobolt, nikkel eller blandinger derav 5-90 vekt^S og wolfram, molybden eller blandinger derav 10-95 vekt#. Det har vist seg at disse forhold mellom jerngruppemetall og wolfram eller molybden gir de fordelaktige virkninger som skriver seg fra avbalanserte varmeutvidelseskoeffisienter. Av jerngruppe-metallene foretrekkes det å anvende nikkel, og av molybden og wolfram foretrekkes det å anvende molybden.

Det foretrekkes å anvende metallet fra jerngruppen og molybden eller wolfram i en mengde av 40-80 vekt# jerngruppemetall og 20-60 vekt# wolfram eller molybden, fortrinnsvis 40-60 vekt# jerngruppemetall og 40-60 vekt# wolfram eller molybden. Disse forhold gir materialene ifolge oppfinnelsen en usedvanlig god seighet uten å gjore materialene for myke.

Den metallmengde som bor være tilstede i materialene ifolge oppfinnelsen, er 1-20 volum-. Det er nbdvendig med minst 1 volum # av metallet for at materialene ifolge oppfinnelsen skal få den bnskede seighet, og ved å begrense mengden til 20 volum- sikres det at materialene ifolge oppfinnelsen får den nbdvendige hård-

i het og slitestyrke.

Det foretrekkes å anvende metallmengder av 2-20 volum%, for-j trinnsvis 3-10 volum-, basert på materialene ifolge oppfinnelsen. ■Ved;å anvende disse foretrukne metallmengder sikres det at ■ materialene ifolge oppfinnelsen får den bnskede seighet uten at i de blir for myke eller får en lav slitestyrke. f

Det bor bemerkes at innen området 1-20 volum- metall, bestående av 5-90 vekt# jerngruppemetall og 10-95 vekt# wolfram eller molybden, forekommer det visse kombinasjoner av meta11-; mengde og metallsammensetning som er mer foretrukne enn andre.

Det foretrekkes imidlertid rent generelt med stigende metall-' innhold i materialet å anvende metall med et hbyere wolfram-eller molybdeninnhold.

Det er meget vanskelig å bestemme den form i hvilken metallene er tilstede i de tette materialer ifolge oppfinnelsen. Det ; er for eksempel kjent at wolfram eller molybden kan reagere med i carbider, som titan- eller zirconiummonocarbid, på en slik måte

at en del av wolframet eller molybdenet går over i carbid-krystallgitteret. Det er også kjent at ved hoye temperaturer vil nikkel reagere med aluminiumoksyd under dannelse av små I mengder av nikkeloksyd- aluminiumoksydspinell. For enkelhets skyld er imidlertid henvisninger heri til metallinnholdet og i til jern, kobolt, nikkel, wolfram og molybden, ment å betegne

den metalliske tilstand selv om enkelte av disse metaller kan hai reagert med andre bestanddeler. Metallandelen av de tette pro-s dukter ifolge oppfinnelsen ansees derfor å bestå av det tilstedeværende jern, kobolt, nikkel, wolfram og molybden, og det tilstedeværende zirconium, hafnium og titan ansees å foreligge

i form av monocarbider, bortsett fra at det forutsettes at et

eventuelt overskudd av carbon er bundet til wolfram eller molybden. Det tilstedeværende aluminium forutsettes å foreligge som aluminiumoksyd, d.v.s. A^O^.

De metaller som er egnet for anvendelse i materialene ifolge oppfinnelsen, kan være tilgjengelige i handelen som pulvere eller de kan fremstilles ved kjente fremgangsmåter. Metall-pulverne bor ha en partikkelstorrelse av under 10 ] i, fortrinnsvis under 2 ] i.

(d) Forurensninger

De bestanddeler som skal anvendes i materialene ifolge oppfinnelsen, er fortrinnsvis helt rene. Det er spesielt bnskelig at slike forurensninger som oksygen er fraværende som ellers ville ha vært tilbbyelige til å ha en skadelig virkning på de tette materialer ifolge oppfinnelsen.

På den annen side kan mindre mengder av en rekke forurensninger tolereres uten at det forekommer noe merkbart tap av bnskelige egenskaper.

Metallet kan således inneholde små mengder av andre metaller, som titan, zirconium, tantal eller niob, som mindre forurensninger, men metaller med lavere smeltepunkt, som bly, bor ikke være tilstede. Mindre mengder av andre carbider enn titan-, zirkonium-eller hafniumcarbid, som flere prosent wolframcarbid som av og til taes opp under maling, kan være tilstede. Også oksygen kan tolereres i slike mindre mengder som forekommer dersom titancarbid er blitt utsatt for luft hvorved dannes noen få prosent titanoksy-carbid. Efter at de pulverformige bestanddeler imidlertid er blitt malt sammen og foreligger i en meget reaktiv tilstand, vil en oksydasjon, spesielt av metallene, lett inntreffe og bor unngåes.

Strukturelle egenskaper

Foruten å karakterisere materialene ifolge oppfinnelsen ut fra de ovennevnte bestanddeler kan materialene også karakteri-seres ut fra deres strukturelle egenskaper.

(a) I hverandre inntrengende, tredimensjonale nettverk

Materialene ifolge oppfinnelsen er særpreget ved at de inneholder to i hverandre inntrengende tredimensjonale nettverk hvorav ett består av aluminiumoksyd og ett av metallbundet carbid.

Selv om virkningene av tilstedeværelsen av disse to nettverk ikke er blitt entydig klarlagt, antaes det at de i vesentlig grad bidrar til de usedvanlige egenskaper som materialene ifolge oppfinnelsen har, og gir materialer som er meget sterkere og har en bedre slagfasthet enn vanlige keramiske aluminiumoksydskjæreverktby.

Tilstedeværelsen av disse samkontinuerlige nettverk kan fastslåes ved en analyse av det tette materiale. Aluminiumoksydnett-verkets kontinuitet kan fastslåes ved å fjerne carbidet og metal-Ilet ved anodisk etsing i en 10$ ammoniumbifluoridopplbsning. Selv pm en slik etsing tilsynelatende ikke påvirker materialets ut-jseende, fjerner den det elektrisk ledende materiale fra den ytre del av materialet nærmest overflaten og gir en ikke-ledende over-jflate med en elektrisk motstandsevne stbrre enn 100 000 mikro-iohm-'cm. Den faste, sammenhengende overflate som foreligger til tross for fjernelsen av de ledende materialer, er be-vis på aluminiumoksydfasens kontinuitet.

En enkel måte å fjerne alt metall og carbider fra materia- l

i

;lene ifolge oppfinnelsen på og således vise tilstedeværelsen av let tredimensjonalt skjelett av aluminiumoksyd er å neddykke små Staver av materialet i en blanding av 25 cm 12$ flussyre og 5 cm konsentrert salpetersyre. Stavene har en stbrrelse av 0,178 x .0,178 x 2,54 cm og holdes i syreblandingen i 24 timer mens blandingen oppvarmes på et vannbad. Den del av staven som er igjen efter 24 timer, er aluminiumoksyd og kan undersbkes med hensyn til dets kontinuitet og styrke ved de vanlige metoder.

Materialene ifolge oppfinnelsen inneholdende 40 volum-eller derover av aluminiumoksyd gir meget sterke aluminiumoksydskjelett ved anvendelse av den ovennevnte analysemetode. Således beholder et aluminiumoksydskjelett fra et materiale ifolge oppfinnelsen som inneholder ca. 60 volum% aluminiumoksyd, en tverrbruddsstyrke av 1054»6 kg/cm . Tilstedeværelsen av aluminiumoksyd i en mengde av ca. 30 volum- er tilbbyelig til å gi et forholdsvis sterkt skjelett med en tverrbruddsstyrke av ca. 98,43 kg/cm . Med ca. 20 volum- aluminiumoksyd fåes som regel en svak, men selvunderstbttende struktur, og under 20 volum- forekommer det ofte bare en liten mengde eller intet kontinuerlig skjelett av aluminiumoksyd. Ved å fjerne elektrisk ledende faser fra materialer inneholdende mindre enn 20 volum- aluminiumoksyd fåes som regel en gjenvinning av aluminiumoksydpulver.

Tilstedeværelsen av en kontinuerlig fase av det elektrisk ledende carbid og metall gir seg tilkjenne ved den elektriske ledningsevne til de varmpressede materialer ifolge oppfinnelsen. Materialene ifolge oppfinnelsen har fortrinnsvis en spesifikk elektrisk motstand av under ca. 1 ohm-cm, fortrinnsvis under ca. 25000 mikro-ohm-cm, og helst mindre enn 5000 mikro-ohm-cm.

De foretrukne materialer ifolge oppfinnelsen hvor carbid pluss metall utgjor 35 volum- eller mer, har ofte en spesifikk elektrisk niotstand av under 1000 mikro-ohm-cm.

(b) Varmeutvidelseskoeffisienter

Materialene ifolge oppfinnelsen er også særpreget ved at de

har to kontinuerlige, i hverandre inntrengende nettverk med meget like varmeutvidelseskoeffisienter. Utvidelseskoeffisienten for aluminiumoksydfasen og carbid- og metallfasen vil som regel ligge mellom 7,2 x 10"^ og 9 x 10~^ cm/cm/°C ved temperaturer fra værelsetemperaturer til 537,8°C.

Som en folge av likheten mellom disse varmeutvidelses-koef fisienter er skjærespisser av materialene ifolge oppfinnelsen i stand til å gjennomgå en meget sterk temperaturforandring med liten eller ingen dannelse av varmespenning i materialet. Materialene er meget motstandsdyktige overfor varmesjokk både hva gjelder splintdannelse og varmesprekkdannelse på overflaten.

(c) Homogenitet og finkornet struktur

Materialene ifolge oppfinnelsen er også særpreget ved at

de har en meget liten kornstbrrelse med en gjennomsnittlig korn-diameter av under 10 y., fortrinnsvis under 5 Kornstbrrelsen er dessuten jevn og homogen gjennom hele materialet, og det forekommer praktisk talt ingen porositet i tette materialer ifolge oppfinnelsen. Fordelingen av de to samkontinuerlige faser er også jevn og homogen, og det kan generelt sies at et hvilket som helst 100 u kvadratisk område som undersokes med et mikroskop som forstørrer et tusen ganger, vil gi det samme inntrykk som et hvilket som helst annet 100 ] i kvadratisk område innenfor dé vanlige, statistiske fordelingsgrenser.

Den fine kornstbrrelse til materialene ifolge oppfinnelsen er selvfølgelig i det minste delvis ansvarlig for de i hverandre inntrengende fasers kontinuitet. Den bidrar imidlertid også

sammen med homogeniteten og den lave porositet til at materialene ifolge oppfinnelsen får en god slitasjemotstand. Metailinne-slutninger, som carbidinneslutninger i stbpejern, gir slitasje av selv de hårdeste av de metallbundne carbiåskjæreverktby. Ikke desto mindre har materialene ifolge oppfinnelsen en meget god slitasjemotstand.

Fremstilling

Fremstilling av materialene ifolge oppfinnelsen er av viktig-

ihet da en rekke av materialenes egenskaper skyldes den måte på

5

Wilken de fremstilles. Materialenes fine kornstbrrelse og jevne homogenitet er således direkte avhengig av at det anvendes fin-;kornede utgangsmaterialer og en meget god maling av de blandede ^bestanddeler. Andre forholdsregler som har en viktig innflydelse 'på produktene og som derfor må iakttaes ved fremstilling av :materialene ifolge oppfinnelsen, er: (1) Unngåelse av for sterk forurensning fra malemediet og fuktighet eller oksygen i luften. (2) Varmpressing eller aintring under slike betingelser at flyktige materialer vil unnslippe for fortetningen. (3) Unngåelse av en for sterk absorpsjon av carbon fra pressformer ved å begrense deres kontakt under absorp-.sjonsfremmende betingelser. v (4) Unngåelse av for sterk rekrystallisering av bestanddelene med resulterende segregering ved å unngå en for lang innvirkning av meget hbye temperaturer.

(a) Maling og gjenvinning av pulver

Malingen av bestanddelene for derved homogent å blande

■disse sammen og oppnå meget fine kornstbrrelser utfores på vanlige måter. De beste malebetingelser vil som regel fåes ved å anvende en mblle halvfylt med et malemiddel, som koboltbundne wolframcarbidkuler eller- staver, et flytende medium, som en hydrocarbonolje, en inert atmosfære, maletider av fra et par dager til flere uker og gjenvinning av pulveret også i en inert : atmosfære. Det gjenvundne pulver tbrkes som regel ved en temperatur av 150-200°C under vakuum og siktes og lagres om bnskes i en! inert atmosfære.

(b) Fortetning

Materialene ifolge oppfinnelsen fortettes i alminnelighet til tette, porefrie gjenstander ved å sintres under trykk. Fortetningen utfores som regel ved varmpressing av de blandede pulvere i en grafittform under vakuum.

Når pulverne varmpresses, anbringes de i formen og innfores i den oppvarmede sone i varmpressen uten anvendelse av noe trykk for derved å la de flyktige forurensninger unnslippe for materiar let fortettes. Fullt trykk anvendes som regel ved eller nær den hbyeste temperatur.

Den hbyeste temperatur er, avhengig av den mengde jern-

gruppemetall som er tilstede, 1400-190O°G, som regel 1600-1800°C.

De hb' iyeste trykk er 35,15-281,23 kg/cm P idet de lavere trykk som

regel anvendes sammen med lavere temperaturer for materialer med et hbyt metallinnhold, spesielt dersom metallet inneholder meget jern, kobolt, nikkel eller blandinger derav. Omvendt anvendes hbyere trykk og temperaturer for materialer med et lavt metall-

innhold, og spesielt dersom metallet hovedsakelig er molybden eller wolfram.

Det vil fremgå at ved hbyere temperatur og trykk vil en

del av metallbestanddelene med lavt smeltepunkt være tilbbyelige til å presses ut av materialene under fortetningen. Denne til-

bøyelighet kan med fordel utnyttes ved at det startes med et noe hbyere innhold av jerngruppemetallet enn hva som er bnskelig og

ved at det anvendes ehhby temperatur og trykk. Ved denne frem-

gangsmåte vil en del av jerngruppemtallet presses ut slik at det bnskede metallinnhold fåes, og det smeltede metall som presses

ut, vil virke som smbremiddel og sinterhjelpemiddel under pres-

singen. På denne måte kan hulrom unngåes til tross for at slutt-materialet er meget ildfast.

Det erviktig at materialet ikke oppvarmes til en temperatur

eller i en tid som er hbyere eller lengre enn den som er nbdvendig for å fjerne porositet og å oppnå fortetning. Dersom det anvendes slike hbyere temperaturer eller lengre tider, fåes en ubnsket kornvekst og en derav fblgende grovere struktur, og det kan til og med utvikles en sekundær porositet på grunn av rekrystalliser-

ing eller ubnskede faser kan dannes.

Det vil bli vist senere at pressetemperaturer av 1700-

1900 C som regel anvendes for de foretrukne produkter ifolge oppfinnelsen, og den stbrste temperatur anvendes i mindre enn 30 v minutter, som regel ikke mer enn 10 minutter, og fortrinnsvis ikke lenger en 5 minutter, hvorefter produktet fjernes fra den varme ' sone. Ved å anvende disse trekk fortettes materialene ifolge oppfinnelsen slik at deres porositet fjernes og det fåes en maksimal tetthet uten for sterk rekrystallisering. Produktene er særpreget ved at de har en fin kornstbrrelse og en meget god tverrbrudd./-

styrke.

Materialene ifolge oppfinnelsen, og spesielt de materialer

som har et hbyt metallinnhold og en liten partikkelstorrelse,

jkan også fortettes ved å anvende koldpressing og sintring under

•et hbyt vakuum, forutsatt at den ovennevnte begrensning hva 'gjelder den minste sintringstid ved den hoyeste temperatur fblges. ^et foretrekkes å presse pulveret isostatisk i en lukket gummi-form opphengt i vann i en isostatisk presse som er istand til å

;gi hbye hydrauliske trykk, f.eks. 4-218,4 kg/cm o.

Anvendelse

Materialene ifolge oppfinnelsen kan anvendes på en rekke ! Iforskjellige skjæreverktby konstruert for en rekke anvendelser.

,De kan formes eller oppdeles i standardiserte, kastbare innsats-:stykker som er egnet for dreiing, boring eller f*ésing. De kan også. lamineres med ellsr på annen måte bindes til metallbundne icarbider eller verktbystål for fremstilling av slipbare verktby.

De er generelt egnede for å fjerne jernmetaller, f.eks. maskin-

istål eller skjærende herdede stål, stållegeringer, martensittiské stål, stbpejern, stbpestål, nikkel, nikkel-kromlegeringer, nikkel-;baserte og koboltsuperlegeringer, og for skjæring av ikke-metal- ; liske materialer, som glassfiberplastlaminater og keramiske materialer.

Materialene ifolge oppfinnelsen er best egnet for skjæring ved meget hbye hastigheter av slike metaller som legerte stål j <!>(243,84 overflatemeter pr. minutt) og stbpejern (365,76 overflatemeter pr* minutt). Dette skyldes materialenes store motstands-;evne overfor kraterdannelse og eggslitasje og bibeholdelse av en : god hårdhet ved hbye temperaturer. På grunn av materialenes gode motstandsevne overfor varmesjokk er de spesielt velegnede for å

lage gjentatte korte skjær eller andre avbrutte skjær hvorved skjæreeggens temperatur varierer hurtig.

Materialene ifolge oppfinnelsen kan også anvendes for generelle ildfaste formål, som gjengestyringer, lagre, slitesterke mekaniske deler og som korn i harpiksbundne slipeskiver og avkappingsblader. Materialene ifolge oppfinnelsen er dessuten nyttige for en hvilken som helst anvendelse hvor deres kombinasjon av ildfaste egenskaper, elektriske ledningsevne, metallofile tilstand og motstandsevne overfor varmesjokk byr på fordeler, som f.eks. ved fremstilling av et elektrisk ledende, keramisklignende korn for slipeskiver som skal anvendes ved elektrolytisk-sliping.

I eksemplene er alle deler og prosenter basert på vekt der-

som intet annet er nevnt.

EKSEMPEL 1

Dette er et eksempel på et materiale inneholdende 70 volum-aluminiumoksyd, 25 volum- titancarbid og 5 volum- metalll bestående av ca. like vektsdeler molybden og nikkel.

Aluminiumoksydet i form av meget findelt a-aluminiumoksyd

ble fremstilt fra kolloidal bbhmitt ved oppvarming i 18 timer i luft ved 350°C for så å oke temperaturen med 100°C pr., time til en sluttemperatur av 1200°G hvor det ble holdt i 24 timer.

En prove av det avkjblte produkt ble så behandlet med flussyre og viste seg å være 88$ uopploselig i 24$ vandig flussyre i 16 timer, og dette ble tatt som et tegn på at a-aluminiumoksydinnholdet var 88$. Det spesifikke overflateareal til det i HP uoppløselige aluminiumoksyd var 8,6 m /g målt ved nitrogenadsorpsjon under anvendelse av Brunauer, Emmett, Teller-metoden. Dette overflateareal tilsvarte en krystallittstorrelse for a-aluminiumoksyd med en gjennomsnittlig partikkeldiameter av ca. 175 mji. Under et elektronmikroskop viste a-aluminiumoksydet seg å bestå av aggregater av aluminiumoksydkrystaller med en diameter av 100-300 my.

Det titancarbid som ble anvendt, hadde en nominell partikkelstbrrelse av 2 \ i og et spesifikt overf lateareal av 3 m /g bestemt ved nitrogenadsorpsjon..Et elektronmikrofotografi viste at titancarbidkornene hadde en diameter av ca. 2 ] i og at de var sammenklumpet i form av lose aggregater. Carboninnholdet var 19,0$, og en oksygenanalyse antydet et titandioksydinnhold av ca. 2,5$.

Det anvendte molybdenpulver hadde en kornstbrrelse av under 325 mesh og et spesifikt overflateareal, bestemt ved nitrogenadsorpsjon, av 0,29 m 2/g og en gjennomsnittlig krystallittstorrelse av 354 my. bestemt ved rbntgendifraksjonslinjeutvidelse. Et elektronmikrofotografi viste at molybdenpulveret besto av korn med en diameter av 0,5-3 V- sammenklumpet som åpne aggregater.

En kjemisk analyse av pulveret tilkjennega et oksygeninnhold av 0,2$ og at det ikke forelå forurensninger i mengder over 500 ppm.

Det anvendte nikkel var et fint pulver inneholdende 0,15$ carbon, 0,07$ oksygen og under 300 ppm jern. Nikkelpulverets spesifikke overf lateareal var 0,4-8 m /g, dg' dets fbntgeridiffråk-sjonsmbnster viste bare nikkel som det ved linjeutvidelsen ble jfastslått hadde en krystallittstorrelse av 150 my. Under et jelektronmikroskop fremkom pulveret som polykrystallinske korn med jen diameter av 1-5 y.

' Pulverne ble malt ved å fylle 6000 g forkondisjonerte, jsylinderformede, koboltbundne wolframcarbidinnsatsstykker méd en jlengde av 6,35 mm og en diameter av 6,35 mm i en 1,3 liters ro- , jterende stålmblle med en diameter av ca. 15,24 cm. Stålmbllen ibleogså fylt med 375 ml "Soltrol" 130 som er et mettet, paraffinlsk jhydrocarbon med et omtrentlig kokepunkt av 130°0. Mollen ble så ; ,fylt med 83,6 g a-aluminiumoksyd,47,0 g titancarbidpulver, 7,65 g iImolybdenpulver og 6,68 g nikkelpulver som alle er blitt beskrevet iovenfor.

I Mollen ble så lukket og omdreiet med en hastighet av x90 om-dreininger pr. minutt i 5 dager. Mollen ble så åpnet og inn-eholdet tomt ut mens maleinnsatsstykkene ble holdt tilbake i :mbllen. Denne ble så flere ganger renset med "Soltrol" 130 inntil alle malte faste stoffer var blitt fjernet.

i Det malte pulver ble overfort til en vakuumfordamper, og 'overskuddet av hydrocarbon ble dekantert av efter at det sus-ipenderte materiale var blitt avsatt. Den våte restkake ble så jtbrket under vakuum under anvendelse av varme inntil temperaturen ;i fordamperen var 200-300°C og trykket under ca. 0,1 mm Hg. Der-j-<h>efter ble pulveret håndtert under fullstendig utelukkelse av ; luft.

Det torre pulver ble siktet gjennom en 70 mesh sikt i nitro-genatmosfære og så lagret under nitrogen i lukkede plastbeholderé.

Et fortettet råemne ble fremstilt fra dette pulver ved å varmpresse pulveret i en sylinderformet grafittform med et sylindrisk hulrom med en diameter av 2,54cm og utstyrt med mo ti-lsatt anordnede tett-tilpaseede stempler. Ett stempel ble holdt ipå plass i en ende av formhulrommet mens 17,5 g av pulveret ble fylt ned i hulrommet under nitrogen og jevnt fordelt ved å om-idreie formen og ved å banke den lett på siden. Det ovre stempel ble så anbragt for hånd. Den monterte form og dens innhold ble så anbragt i et vakuumkammer i en vakuumvarmpresse hvor formen ble holdt i loddrett stilling, og stemplene over og under formen ble så utsatt for et trykk av ca. 7,03-14,06 kg/cm p "ved påvirkning av motsatt anordnede grafittstbtere som pressen var forsynt med.

[I lbpet av ett minutt ble formen hevet inn i ovnens varme sone ; : jhvor det var en temperatur av 1000 o G, og ovnstemperaturen ble ;straks bket mens stbternes stilling var fastlåst for å hindre en ytterligere bevegelse under oppvarmningsperioden. ^empera-.turen ble bket fra 1000 til 1800°C i lbpet av 10 minutter, og I formen ble holdt på en temperatur av 1800 C i ytterligere 2 min-; jutter for å sikre at provestykket fikk en jevn oppvarmning. Et I trykk av 281,23 kg/cm ble så anvendt via stemplene i 4 minutter. ;Straks efter pressingen ble formen og dens innhold mens den fort*

satt ble holdt mellom de motsatt anordnede stbtere, overfort fra; ;ovnen og inn i en kold sone hvor formen og dens innhold ble av- I 'kjblt til en dempet rbdfarve i lbpet av ca. 5 minutter.

Formen og dens innhold ble så fjernet fra vakuumovnen, og råemnet ble fjernet fra formen og sandblåst for å fjerne eventuelt vedheftende carbon.

Det varmpressede materiale var uporbst og hadde ingen syn-bar porositet ved en forstørrelse av 1000 ganger. Struktur-

messig besto materialet av et meget findelt, samkontinuerlig,

i i hverandre inntrengende nettverk av polykrystallinski oc-aluminium-;oksyd og av metallbundet titancarbid.

i i Materialet hadde en spesifikk motstand av ca. 2000 mikro-■ohm-cm. Denne ledningsevne anga at materialetsX^ledende bestanddeler, d.v.s. metallet og titancarbidet, var kontinuerlig sammen-I hengende. Elektronmikrofotografier tydet på at materialet hadde „en meget fin kornstruktur med få korn med en stbrrelse over 1-2 y.. Aluminiumoksydet utgjorde generelt den groveste fase.

Aluminiumoksydfasens kontinuitet ble påvist ved fjernelse ;av titancarbidet og metallet fra materialet ved anodisk angrep . 'i 24 timer i en ammoniumbifluoridopplbsning. Efter denne be-handling var det igjen et elektrisk ikke-ledende, porbst lag på overflaten som ved vanlig betraktning syntes å være uforandret, imen som under et elektronmikroskop viste seg å være porbst på ;grunn av at de elektrisk ledende bestanddeler var blitt fjernet.

En kjemisk analyse viste at foruten aluminiumoksyd, titan-;carbid, molybden og nikkel var ca. 2$ jern tilstede som antagelig skrev seg fra slitasje i mollen, 4 vekt$ wolfram som antagelig

var tilstede som wolframcarbid, og ca. 0,5 $ cobolt, idet begge de sistnevnte metaller antagelig var blitt tatt opp på grunn av

.slitasje av maleinnsatsstykkene.

Råemnet som hadde en diameter av 2,54 cm og en tykkelse av ca. 0,76 cm ble skåret opp slik at et stykke som var noe stbrre enn 3,226 cm , ble fjernet fra midten. Strimler med en tykkelse av 1,778 mm ble avskjært fra det materiale som var igjen på hver side av dette midtstykke, og de ble videre oppdelt i 1,7-78 x <:>l/f778 mm kvadratiske staver for å undersøke tverrbruddstyrken. !André deler av råemnet ble anvendt for hårdhetsundersbkelser og ; for å undersoke andre produktegenskaper. Tverrbruddstyrken målt ved å boye de 1,778 mm x 1,778 mm forsoksstaver på et 14,288 mm spenn, var ca. 9140kg/cm 2. Hårdheten var 94,0 på Rockwell A-skalaen.

Det kvadratiske midtstykke ble ferdigbehandlet til en skjærespiss med noyaktige dimensjoner av 12,7 x 12,7 x 4,76 mm, og hjørnene ble avsluttet med en radius av 0,7938 mm. Denne ut-formning er kjent innen industrien som SNG-432. Denne spiss ble anvendt som en enkelt tann i en freser med en diameter av 10,16 cm for torr og sentrert overflatefresing av 5,08 cm brede staver av klasse 30 (170 BHN) grått stopejern med en overflatehastighet av 304,8 m pr. minutt og en matehastighet av 0,1524 mm pr. tann idet skjærédybden varierte ujevnt mellom 1,27 mm og 3,81 mm og omfattende skallet og huden fra stbpeprosessen.

Fresingen ble fortsatt under disse betingelser for en stavlengde av 396,2 cm uten at skjærespissen ble utslitt. En under-søkelse av skjærespissen viste en jevn flankeslitasje av bare 0,254 mm og en lokal flankeslitasje av 0,381 mm, og det var ingen kraterdannelse på verktbyets frontflate og intet brudd eller av-skalling av eggen. Under de samme skjærebetingelser utslites i handelen tilgjengelige carbidverktby efter skjæring av mindre enn 254 cm, og i handelen tilgjengelige, keramiske akjæreinnsats-stykker brytes øyeblikkelig.

Det samme innsatsstykke ble også anvendt for enkelttanns overflatefresing av 5,08 cm brede stenger av AISI 4340 stål med en hårdhet av 340 Brinnell. Presingen ble utfort torr og sentrert med et hode med en diameter av 10,16 cm og en overflatehastighet av 304,8 m pr. minutt, en matehastighet pr. tann av 0,1524 mm og en skjæredybde av 1,27 mm. Under disse betingelser var levealderen til verktbyet med en enkelt tann 254 cm stavlengde.

I !

Under de samme betingelser vil i handelen tilgjengelige I aluminiumoksydskjæreverktby ikke være skjærende i det hele tatt,

og i handelen tilgjengelige carbidverktby vil skjære mindre enn 101,6-114,3 cm stavlengde pr. tann for de svikter helt.

i

EKSEMPEL 2

Fremgangsmåten ifolge eksempel 1 ble gjentatt, bortsett fra i at bestanddelene ble anvendt i slike mengder at det ble oppnådd • et varmpresset materiale inneholdende 60 volum$ aluminiumoksyd, 35 volum$ titancarbid og 5 volum$ metall bestående av 50 vekt$ inikkel og 50 vekt$ molybden.

En skjærespiss fremstilt som beskrevet i eksempel 1 fra dette varmpressede materiale, viste seg å være meget godt egnet som fresspiss for metallskjæring ved forébk lignende de som ble utfort i eksempel 1.

EKSEMPEL 3- 16

De fblgende eks.émpler ble utfort under anvendelse av de i eksempel 1 beskrevne råmaterialer og fremgangsmåter, bortsett fra de forandringer som er anfbrt. De råmaterialer, andre enn titancarbid, molybden og nikkel, som ble anvendt i de fblgende eksempler, var som folger: aluminiumoksyd - Alcoa Superground Alumina XA-l^y som ved røntgen-undersøkelse viser seg å bestå av a-aluminiumoksyd og som har et spesifikt overflateareal av

13 m<2>/g-

kobolt - Welded Carbide Tool Co., "Cobalt F", som bestårav pulverformet, kubisk kobolt med en renhet av 99,9$ og et overflateareal av 1,6 m /g.

hafniumcarbid - Materials for Industry, som består av et findelt hafniumcarbidpulver med et spesifikt overflateareal av 0,5 m <2>/g.

jern - Baker and Adamson, som er et renset, redusert

jern som er blitt malt i kulemblle i 3 dager og som har et spesifikt overflateareal av 1,5 m p/g

og inneholder 0,8$ oksygen.

wolfram - General Electric Co., som er et findelt wolfram-pulver med et spesifikt overflateareal av 2 m /g oog inneholder 0,19$ oksygen. . zirkoniumcarbid - Materials for Industry, som er et findelt i zirkoniumcarbidpulver med et spesifikt overflateareal av 0,5 m <2>/g og et oksygeninnhold av 0,18$.

Malebetingelsene betegnet som A, B og C i tabell 1, til-

'■ svarer de generelle betingelser ifolge eksempel 1, med de fblgende ! forholdsregler: 1 A. 4000 g koboltbundne wolframcarbidinnsatsstykker ble anvendt i en 1,3 liters stålmblle sammen med 375 cnr "Soltrol" olje.

B. 14000 g koboltbundne wolframcarbidinnsatsstykker ble anvendt

i en 3»785 liters stålmblle sammen med 814 cm "Soltrol"olje.

: G. 6000 g koboltbundne wolframcarbidinnsatsstykker ble anvendt ; i en 1,3 liter stålmblle sammen med 375 cm' "Soltrol" olje.

Presseperiodene betegnet som I, II og III i tabell 1, tilsvarte de generelle betingelser ifolge eksempel 1, med de fblgende forholdsregler: I. Prbven og formen ble anbragt i den varme sone ved en temperatur av 1500°C. II. Prbven og formen ble anbragt i den varme sone ved en tempera-; tur av 1175°C. III. Prbven og formen ble anbragt i den varme sone ved en temperatur av 1000°C.

Metallskjaereforsbkene betegnet som 1, 2 og 3 i tabell 1, tilsvarte de generelle betingelser som ble anvendt ved skjærefor-sbkene i eksempel 1, med de fblgende forholdsregler: 1. Dreieforsbk ved hby hastighet med AISI 1045 stål med et .Brinell hårdhetstall av 183. Hastigheten var 274,32 overflatemeter pr. minutt (OMM), matehastigheten 0,127 mm pr^: omdreining (MMPO) skjæredybden 1,27 mm og sponvinkelen negativ. Jevn og lokal flankeslitasje ble målt efter 10 minutters tbrrdreiing. 2. Enkelttanns overflatefresings-forsbk med AISI 4340 stål med • en Rockwell C hårdhet av 36. Det ble anvendt et 10,16 cm frese-hode og arbeidet ble utfort tort på sentrum med en hastighet av 163,07 OMM, en matehastighet av 0,1346 MMPO, en skjæredybde av 2,54 mm,en skjærebredde av 50,8 mm og med negativ sponvinkel. Verktbyets levetid ble målt uttrykt ved skjærelengden i cm. 3. Dreieforsbk ved hby hastighet med stbpejern med en Brinell 'hårdhet av 170. Hastigheten var 381 OMM, matehastigheten i i 0,127 MMPO, skjæredybden 1,27 mm og sponvinkelen negativ. Jevn ;og lokal flankeslitasje ble målt efter 10 minutters tbrrdreiing.\ '• i

Claims (5)

1. Tette, varm- eller kaldpressede metallbundne aluminiumoksyd-carbidmaterialer for bruk hvor ildfaste egenskaper er påkrevet, spesielt for bruk i skjæreverktøy, karakterisert ved at de har en gjennomsnittlig kornstorrelse av under 10 ^ og er sammensatt av to i hverandre inntrengende, tredimensjonale nettverk hvorav det ene består av aluminiumoksyd og det annet av metall og minst ett av carbidene zirkoniumcarbid, hafniumcarbid og titancarbid, idet materialet består i det vesentlige av 20 - 90 volum- aluminiumoksyd, 5 - 79 volum- carbid og 1 - 20 volum- metall som består i det vesentlige av 5 - 90 vekt$ av ett eller flere av metallene jern, kobolt og nikkel og av 10 - 95 vekt% av minst ett av metallene wolfram og molybden idet volumprosenten av carbid er lik eller storre enn volumprosenten av metallet.

2. Materiale ifolge krav 1,karakterisert ved at aluminiumoksydet er tilstede i en mengde av <1>+0 - 75 volum-, carbidet i en mengde av 12,6 - 58 volum- og metallet i en mengde av 2-20 volum-.

3. Materiale ifolge krav 1 eller 2, karakterisert ved at carbidet er titancarbid. h.

Materiale ifolge krav l-3,karakterisert ved at metallet består i det vesentlige av nikkel og molybden.

5. Materiale ifolge krav l-<*>f, karakteris'ert. ved at den gjennomsnittlige kornstorrelse er mindre enn 5;6. Materiale ifolge krav 1,karakterisert ved at metallet består i det vesentlige av h0 - 60 vekt$ av minst ett av metallene jern, kobolt og nikkel og av h0 - 60 vekt$ av minst ett av metallene wolfram og molybden.;7. Varmpresset materiale ifolge krav 2- 5, karakterisert ved at metallet består i det vesentlige av 5 - 90 vekt$ nikkel og 10 - 95 vekt$ molybden.;8. Varmpresset materiale ifolge krav 7, karakterisert ved at aluminiumoksydet er tilstede i en mengde av 50 - 72 volum-.;9. Varmpresset materiale ifolge krav 7 eller 8, karakterisert ved at titancarbidet er tilstede i en mengde av 18 - V7 volum-.;10. Varmpresset materiale ifolge krav 7-9, karakterisert ved at metallet er tilstede i en mengde av 3 - 1° volum-.;11. Varmpresset materiale ifolge krav 7 - 10, karakterisert ved at metallet består i det vesentlige av <*>+0 - 60 vekt$ nikkel og hO - 60 vekt$ molybden.