Verfahren zur Herstellung harter Stoffe hoher Festigkeit. Bei den bekannten Verfahren zum Her stellen harter Stoffe, bestehend aus Karbiden oder Nitriden schwer schmelzbarer Metalle oder Metalloide unter Verschmelzung der Bestandteile im elektrischen Ofen, zum Bei spiel dem elektrischen Kohlerohrwiderstand@s- ofen, wurden keine mechanisch festen, son dern nur mehr oder weniger bröckelnde oder spröde Produkte mit eng beschränktem An wendungsgebiet erzielt.
Erst .durch besondere Vorkehrungen, wie vorheriges Pressen der Ausgangsmaterialien und rasches Nieder schmelzen wurden etwas beständigere feste Produkte ausgebracht. Es war hierbei je doch auch nötig, dafür Sorge zu tragen, class nur eine kleine Berührungsfläche zwi schen Kohlenegel oder Kohlerohr und dem Pressling vorhanden war, um eine zu grosse Kohlenstoffaufnahme zu verhindern.
Nach dem Niederschmelzen musste zu dem das Schmelzgut sofort in eine meist ausserhalb des Ofens angebrachte Kohleform eingefüllt werden, um ein feines kristallines Gefüge zu erhalten. Auch wurde vorgeschla gen, ein mechanisch festeres Gefüge :dadurch zu erzielen, dass nach eingetretener Schmel zung durch besondere Vorkehrungen eine äusserst schnelle Abkühlung in ganz wenigen Sekunden herbeigeführt wird. Bereits eine Abkühlung auf Rotglut bei einer Dauer von mehr als 2@0 Sekunden ergab als Produkt eine grobkristalline, mürbe bröckelnde Masse.
Diese Nachteile werden nach der Erfin dung vermieden und Stoffe von .grosser Härte, hoher Festigkeit und Zähigkeit erzielt.
Gemäss dem vorliegenden Verfahren wer den hochschmelzende Stoffe, wie z. B. Kar- bide, Nitride, .Silicide, Boride von Metallen und Metalloiden, z.
B. von Wolfram, Molyb- dän, Titan, Vanadin, Zirkon, Cer, Silizium, Aluminium, Beryllium, Chrom, Bor und dergl., unmittelbar durch den elektrischen Lichtbogen über ihren Schmelzpunkt hinaus auf Temperaturen über 3000 C, zweck mässig auf 3400 bis<B>3,600'</B> C und darüber, in Gegenwart von atomarem Wasserstoff er- hitzt,
der durch die mindestens teilweise Aufspaltung von zugeführtem normalen Wasserstoff unter .der Einwirkung des Licht- Bogens und bei Anwendung von Elektroden aus einem hochschmelzenden Metall gebildet wird. Die Schmelzung kann in beliebigen Schmelzformen oder -schalen, z. B. aus Kohle, Graphit oder einem andern hitzebeständigen Material erfolgen und die Schmelzmasse nach der Schmelzung ohne weitere Vorkehrungen der natürlichen Abkühlung überlassen wer den.
Hierdurch entstehen harte, zähe und feste Stoffe, die sich insbesondere zum Besetzen von Bohrmeisseln, Gesteinssägen, Bohrspitzen und dergl. eignen und einen hohen Wider stand gegen mechanische Abnutzung,' Ero- sin und Korrosion zeigen.
Das Verfahren wird meist so ausge führt, dass man von bereits vorhandenen hochschmelzenden Soffen. ausgeht. Man kann aber auch im Anschluss an die Bil dung von Karbiden, Siliziden, Nitriden, Bori- den usw. aus den hierfür notwendigen Ele menten die entstandenen hochschmelzenden Stoffe der erfindungsgemässen Behandlung unmittelbar unterwerfen.
Es ist weiter .die überraschende und nicht zu erwartende Tatsache festgestellt worden, dass eine bessere Wirkung und gegebenen falls eine grössere Härte erzielt werden kann, wenn den Ausgangsmateri alien in Mengen von wenigen Prozenten, vorzugsweise bis 5 %, sauerstoffhaltige Verbindungen, vorzugsweise Oxyde oder Karbonate leichter schmelzender Metalle zugemischt werden, wie beispiels- weise die Oxyde oder Karbonate des Kobalts, Nickels, Eisens, Kupfers,
Mangans oder Sil bers und ein Reduktionsmittel, wie beispiels weise Kohlenstoff, in einer zur Reduktion gerade ausreichenden Menge hinzugefügt wird. Vermutlich wirkt .das durch Reduk tion in statu nascendi aus seinem Oxyd oder Karbonat austretende Metall katalytisch auf die Strukturbildung des zu .gewinnenden Hartstoffes ein.
Die fördernde Wirkung auf die Herstellung des Hartstoffes ist umso überraschender, als ,das Metall beiden hohen Schmelztemperaturen der Karbide, Nitride. Silicide, Boride und andern hochschmelzen den Verbindungen der genannten Metalle oder Metalloide verdampft und sieh in dem fer tigen Hartstoff kaum mehr vorfindet.
Auch in diesem Falle sind die einleitend benannten, bereits bekannten Vorkehrungen nicht erforderlich, vielmehr sind die in den folgenden Ausführungsbeispielen angege benen Massnahmen ausreichend. Auch kann bei der Herstellung des Hartstoffes von in jeder Form vorliegendem Ausgangsmaterial ausgegangen und .das Ausgangsmaterial in Kohle- oder Graphittiegel oder -schalen be liebig schnell bis auf eine die Schmelztem peratur weit übersteigende Temperatur er hitzt werden, worauf man :das Schmelz produkt in den Schmelzformen oder -tiegeln auskühlen lassen kann.
Die praktische Aus führung hat ergeben, :dass vermutlich infolge der hohen Schmelztemperatur eine nennens werte Kohlenstoffaufnahme aus der Tiegel wandung usw. in das Schmelzgut nicht auf tritt.
Die Bildung .des atomaren Wasserstoffes wird indem für die Schmelzung verwendeten Lichtbogen durch Zufuhr normalen Wasser stoffes hervorgerufen. Die gänzliche oder teilweise Aufspaltung des Wasserstoffes in seine Atome findet unter Verwendung von Elektroden, die aus Wolfram, Molybdän oder einem diesen äquivalenten Metall be stehen können, im Liehtbo:gen selbst statt.
Nachfolgend sind zwei Ausführungsbei spiele angefügt, bei denen einmal mit und einmal ohne Zugabe von Metalloxyden ge arbeitet wird.
Beispiel <I>1:</I> Wolframkarbid wird in einer hitzebestän digen offenen Form oder Schale unter den unmittelbaren Einwirkungen des elektrischen Lichtbogens auf etwa 3450' C, in Gegen wart von atomarem Wasserstoff, erhitzt.
Die Elektroden bestehen aus Molybdän. Unter der Wirkung des Lichtbogens wird :der zu geleitete normale Wasserstoff zum Teil in seine Atome aufgespalten, so dass über der Schmelze sieh eine Hülle atomaren Wasser- stoffes befindet. Nach dieser Behandlung wird der so gebildete Hartstoff erkalten ge lassen und zu geeigneten Stücken zerschla gen. Diese Stücke können zum Besetzen von Bohrmeisseln oder überhaupt zur Bearbeitung harter Stoffe dienender Werkzeuge verwen det werden.
<I>Beispiel 2:</I> Dem im Beispiel 1 genannten Wolfram karbid wurde eine Menge von 1,5 % Kobalt oxyd mit der zur Reduktion erforderlichen Menge Kohlenstoff beigefügt. Im übrigen wurde die Behandlung des Beispiels 1 wie derholt. Es ergibt sich ein noch härterer, zäherer und festerer Stoff, der zum Beispiel für die Besetzung von Bohrspitzen zur Be arbeitung härtester Gesteine geeignet ist.
Wenn in den Beispielen die Behandlung von Wolframkarbid erläutert wurde, so gilt diese Arbeitsweise in gleicher oder ähnlicher Weise für alle andern, für Hartstoffe ver wendbaren Nitride, Silicide, Boride oder Karbide des Molybdäns, Titans, Vanadins, Zirkons, Cers" Siliziums, Bors, Aluminiums, Berylliums, Chroms, Wolframs und dergl.
Es können auch Oxyde oder Karbonate von Kobalt, Nickel, Eisen, Kupfer, Mangan oder Silber vor oder während der Schmelzuug des Hartstoffes zugefügt werden. Diese Zusätze verdampfen nach der Reduktion zum grössten Teil bei der hohen Schmelztemperatur.
Process for the production of hard materials of high strength. In the known processes for the manufacture of hard substances, consisting of carbides or nitrides of difficult-to-melt metals or metalloids, the components fusing in the electric furnace, for example the electric carbon tube resistance furnace, were not mechanically solid, but only more or less crumbling or brittle products achieved with a narrowly limited area of application.
Only through special precautions, such as pressing the raw materials beforehand and melting them down quickly, were somewhat more stable solid products produced. Here, however, it was also necessary to ensure that there was only a small contact area between the carbon cone or carbon tube and the pellet in order to prevent excessive carbon absorption.
After melting down, the material to be melted had to be poured into a charcoal mold that was usually placed outside the furnace in order to obtain a fine crystalline structure. It was also suggested that a mechanically stronger structure should be achieved by taking special precautions to bring about extremely rapid cooling in just a few seconds after melting has occurred. Even cooling to red heat for more than 2 @ 0 seconds resulted in a coarsely crystalline, crumbly crumbling mass as the product.
These disadvantages are avoided according to the invention and substances of .grosser hardness, high strength and toughness are achieved.
According to the present method who the high-melting substances such. B. carbides, nitrides, silicides, borides of metals and metalloids, z.
B. of tungsten, molybdenum, titanium, vanadium, zircon, cerium, silicon, aluminum, beryllium, chromium, boron and the like., Directly through the electric arc above their melting point to temperatures above 3000 C, conveniently to 3400 to <B> 3,600 '</B> C and above, heated in the presence of atomic hydrogen,
which is formed by the at least partial splitting of supplied normal hydrogen under the action of the electric arc and when using electrodes from a high-melting metal. The melting can take place in any melt shapes or shells, e.g. B. made of carbon, graphite or some other heat-resistant material and the melted mass after melting without further precautions of natural cooling left who the.
This results in hard, tough and solid substances that are particularly suitable for filling drill bits, rock saws, drill bits and the like. And show a high resistance to mechanical wear, 'erosine and corrosion.
The process is usually carried out in such a way that one of already existing high-melting substances is used. goes out. However, following the formation of carbides, silicides, nitrides, borides, etc. from the elements necessary for this, the resulting high-melting substances can also be subjected to the treatment according to the invention immediately.
It has also been found that the surprising and unexpected fact that a better effect and, if necessary, a greater hardness can be achieved if the starting materials in amounts of a few percent, preferably up to 5%, oxygen-containing compounds, preferably oxides or carbonates metals that melt more easily, such as the oxides or carbonates of cobalt, nickel, iron, copper,
Manganese or silver and a reducing agent, such as carbon, is added in an amount just sufficient for the reduction. Presumably, the metal emerging from its oxide or carbonate through reduction in statu nascendi has a catalytic effect on the structure formation of the hard material to be extracted.
The promoting effect on the production of the hard material is all the more surprising since the metal has both high melting temperatures of carbides and nitrides. Silicides, borides and other high-melting compounds of the metals or metalloids mentioned evaporate and are hardly found in the fer term hard material.
In this case, too, the already known precautions mentioned in the introduction are not required; rather, the measures specified in the following exemplary embodiments are sufficient. Also, in the production of the hard material, starting material in any form can be assumed and the starting material in carbon or graphite crucibles or shells can be heated as quickly as desired to a temperature that far exceeds the melting temperature, whereupon you: the melting product in the Let melt molds or crucibles cool down.
The practical implementation has shown that: probably due to the high melting temperature, significant carbon absorption from the crucible wall etc. does not occur in the melting material.
The formation of the atomic hydrogen is caused by the supply of normal hydrogen by the arc used for melting. The complete or partial splitting of the hydrogen into its atoms takes place in the arc itself using electrodes, which can consist of tungsten, molybdenum or a metal equivalent to these.
Two exemplary embodiments are added below, in which one works once with and once without the addition of metal oxides.
Example <I> 1: </I> Tungsten carbide is heated in a heat-resistant open mold or shell under the direct effects of the electric arc to around 3450 ° C in the presence of atomic hydrogen.
The electrodes are made of molybdenum. Under the effect of the arc: The normal hydrogen to be conducted is partially split into its atoms, so that a shell of atomic hydrogen is located above the melt. After this treatment, the hard material formed in this way is allowed to cool down and broken down into suitable pieces. These pieces can be used to fill drill bits or tools for processing hard materials.
<I> Example 2: </I> An amount of 1.5% cobalt oxide with the amount of carbon required for reduction was added to the tungsten carbide mentioned in example 1. Otherwise, the treatment of Example 1 was repeated. The result is an even harder, tougher and stronger material that is suitable, for example, for filling drill bits for processing the hardest of rocks.
If the treatment of tungsten carbide has been explained in the examples, this procedure applies in the same or a similar way to all other nitrides, silicides, borides or carbides of molybdenum, titanium, vanadium, zirconium, cerium, silicon, boron, Aluminum, beryllium, chromium, tungsten and the like.
Oxides or carbonates of cobalt, nickel, iron, copper, manganese or silver can also be added before or during the melting process of the hard material. Most of these additives evaporate after the reduction at the high melting temperature.