DE1533193A1

DE1533193A1 - Verfahren zur Herstellung dispersionsverstaerkter Metalle

Info

Publication number: DE1533193A1
Application number: DE19661533193
Authority: DE
Inventors: Herald Conrad D; Seruggs David M
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1965-12-08
Filing date: 1966-12-07
Publication date: 1970-02-05
Also published as: GB1107659A; US3468658A; FR1504182A

Description

B/p 4892

The Bendix Corporation, Fisher Building, Detroit, Michigan, UJA,

'leer;

Hers teilung dispersionsverntärkter Metalle.

Die Erfindung bezieht oich auf Verfahren zur Herstellung lispersionsverstärkter Metalle, in dem der Dispersoid dem geschmolzenen Zustand des Metalles bei^e^eben wird, wodurch eine raschere und wirtschaftlichere Verstärkung der Metalle sowie eine Vergrößerung der Anwendungsmöglichkeiton der DispersionGverstärkung erzielt wird.

Bei der Dispersionsverctärkung wird ein Metall gebildet, wobei kleine Partikel aus hitzebeständigem Material gleichmäßig darin verteilt sind. Diese hitzebeständigen Materialien können Oxyde, nitride, Carbide, üilicide oder Boride sein, und in diesen hi tzf'heiitiindigen Materialien sind die Anionen Sauerstoff,

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Stickstoff, Kohlenstoff, Silizium und Bor.

Bei bekannten Verfahren wurden die hitzebeständigen Partikel gleichmäßig durch verschiedene Verfahren dispergiert. Bei einem Verfahren wurden das Metall und die hitzebeständigen Partikel getrennt voneinander in feines Pulver verwandelt und die Pulver gründlich gemischt; die gemischten Pul-/er wurden-unter Druck gesetzt und dann so lange erhitzt, bis sie gesintert waren. Dieses Verfahren war teuer und zeitraubend, weil das Metall erst in ein Pulver verwandelt werden mußte. ,

Ein weiteres Verfahren bestand darin, ein Metallsalz in ein elektrolytisch.es Bad zu setzen, die hitzebeständigren Partikel beizufügen, die Partikel in dem Galvanisierbad zu 3rf.sch.en, und dann das Metall mit den hitzebeständigen Partikeln, die darin dispergiert waren, auf der Elektrode des Bades auszubreiten. Dieses Verfahren war wegen des kleinen Metallvolumes,.das auf ■ der Elektrode auf plattiert wurde, wiederum teuer und zeitraubend.

Bei einem anderen bekannten Verfahren ging man davon aus,-zwei Legierungen miteinander zu mischen,, von denen eine die hitzebe--,. ständigen Partikel enthielt und die andere das Metall_y in welchem die Partikel dispergiert werden, sollten. Bei den geeigneten Mischungen und Temperaturen bildet sich ein niederschlage aus^ ·. bei dein die Partikel - im Metall in entsprechender üeise: dis;- ;· : . pergiert sind. Ein derartiges Verfahren ist wiederum zeitraubend

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und teuer.

Man hat lange Zeit versucht, die hitzebeständiren Partikel direkt dein geschmolzenen Metall beizufügen, um die freeifvnete Dispersion mit verbesserter Verstärkung; und Verformun.fsfähi-vkeit zu erzielen. Dies war bisher nicht möglich, weil die hitzebeständiren Partikel, wenn sie dem i'eschmolzenen Metall di-rekt beirefi%t wurden, sich zusammenballten und nicht den Grad, einer homogenen MsOersion erraben, der für die f~ewüncchten Iv.etallei'"^rencchaf ten erforderlich v/ar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, nach reichem die hitzebeständi^en Partikel direkt dem freschmolzenen Lie tall ohne Zuäar:r:>enballung· hinzuref :i-:t werden können.

Dies wird .-emäß der Erfindung dadurch erreicht, daß das Metall bis in den gesciir,^lzGnen Zustand aufgeheizt wird, daß dae Metall mit dem Anion der darin zu dispergierenden Partikel, p-esc-'ttiijt wird, daß die hitzeb'eständigen Partikel dem geschmolzenen Metall beigefügt' werden -und daß das -"esehmolz-ene I-'^⁴;all umt-:erührt wird, damit eirie hoiiio?-en.e^: Dist>ersion- der darin enthaltenen hfe-ebeständicen Partikel erreicht wird. ' '

Es pibt viele· V.'e~e, uis das geschmolzene Metall mit dem Anion,-zu -sätti "en; eini "" von ihnen werden nach Gehend beschrieben. Zu- ; =

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Darstellungszwecken wird von. einem hitzebeütändigen Oxydpartik&l ausgegangen. Das Anion für ein Oxydpartikel ist Sauerstoff und-, das Metall würde dann mit Sauerstoff während des Mischens des hitzebeständigen Oxydpartikels im Metall gesättigt werden. Eine derartige Sättigung kann erreicht werden, indem Sauerstoff in die Oberfläche des geschmolzenen Metalles mit einem Teildruck eingespeist wird, der gleich oder größer dem Gleichgewichtsteildruck bei der Löslichkeitsgrenze ist, so daß kein Sauerstoff das geschmolzene Metall verlassen kann, Ausgangsmaterial dem geschmolzenen Metall hinzugefügt wird, das eine genügend hohe Sauerstoffkonzentration besitzt, damit die Schmelze mit Sauerstoff gesättigt wird, die Schmelze mit einem Flüsigkeit enthaltenden Sauerstoff, z.B. einem geschmolzenen Salz von Sauerstoff bedeckt wird, und die Schmelze in Berührung mit einer ausreichenden Materialmenge gebracht wird. Beispiele hierfür würden die Verwendung eines- Oxydtiegels oder die Abdeckung der Schmelze mit Oxydkorn sein. Damit kann das geschmolzene Uetall mit dem Anion gesättigt werden.

Der Zeitpunkt, zu dem eine Sättigung des geschmolzenen Metalles mit dem Anion auftritt, kann üblicherweise durch den Zeitpunkt festgelegt werd.en, bei dem eine Schlackenbildung auf der OberfläcJhe der Schmelze auftritt. Diese Schlaekenbildung soll so gerin;" wie möglich gehalten werden, da nie den Mischvorgang nachteilig beeinflußt. Dia Schlacke kann dadurch gering gehalten werden, daß ein reduzierendes Gas in der Schmelze' zum Desoxydieren der Schmelze verwendet wird, wobei wiederum " ■ ■ ;

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als Anion Sauerstoff angenommen wird. Die Reduzierung soll so gesteuert werden, daß die Schmelze nicht zu stark reduziert wird und die entsprechenden Säbtigun^sbedingungen verlorengehen. Eine Sättigung kann auch dadurch bestimmt werden, daß die Schmelze periodisch geprüft und der Prüfling für die Sättigung analysiert wird. Die Schlackenbildung kann, weiter dadurch gesteuert werden, daß hitzebeständige Partikel gewählt werden, die ein Anion aufweisen, welches gegenüber Metall langsamer reagiert.

Wie erwähnt, soll die Schmelze gemischt werden, damit eine geeignete Verteilung des Dispersoids erzielt wird/Vorzugsweise wird die Schmelze gemischt, bis die hitzebeständigen Partikel gleichmäßig in der Schmelze dispergiert sind, damit ein weitgehend homogenes Gemisch erreicht wird. Eine derartige Mischung

kann durch Verwendung eines Propellers hoher Energie, einer . erzielt werden

Mischschraubö oder von Strahlen inerten Gases/ Ein eine Kavitation erzeugender Mischvorgaiig bewirkt, daß die'hitzebeständigen Partikel hinreichend dispergiert werden.

•Zufriedenstellende Ergebnisse wurden erzielt, wenn die hitzebeständigen Partikel den Größenbereich zwischen 100 Angström-' einheiten und ein Mikron.besitzen. In diesem Bereich wurde ein Sintern und Zusammenballen der hitzebeständigen Partikel verhindert*

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5. JJez. 1966

Die nachstehende Tabelle I zeigt bevorzugte hitzebeständißje Partikel für jedes von 17 unterschiedlichen Grundmetallen. Die Grundmetalle können reine Metalle oder Legierungen sein.

Tabelle! -

Grundmetall

Hitzebeständige Partikel

Oxyd

Karbid

Nitrid

Zinn	X
Blei	X
Zink ·	X
Aluminium
Kupfer	X
Magnesium	X
Kobalt
Nickel	X
Eisen
Chrom ;	X
Indium	X
Silber	X
Gold	X
Platin	X
Molybdän	X
Niobium	X
Zirkon

X
X
X
X

X
X

Ji X

X X" X

X) zeigt bevorzugte Kombinationen an

Eine vollständigere Liste der hitzebeständigen Partikel, die* im Falle vorliegender Erfindung verwendet werden können, ist

folgende; ■

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Oxyde von Aluminium, Silizium, Titan, Zirkon, Thor, Uran, * Yttrium, Magnesium, Beryllium, Oxyde von seltenen Krden und gemischte Oxyde, z.B. Zirkonate und Spinelle.

Karbide von Titan, Zirkon, Chrom, Tantal, 7,'olfran, Molybdän und Silizium. .

nitride von I3or, Silizium, Hafnium, Titan, Aluminium und Zirkon. 'Siliziumverbindunren von lüolybdän, Yttrium, Tantal und Zirkon. Borverbindungen aus Chrom, Zirkon, Titan und Tantal.

In Tabelle I sind die Kombinationen, die durch ein X bezeichnet sind, für optimale Festigkeit und Verformbarkeit bevorzugt*' Es können aber für spezielle Anwenduns'sfalle bestimmte andere Kombinationen verwendet werden.· Beispielsweise lösen verschiedene . Ketalle wie z.B. Nickel,Gold- und Platin eine ziemlich froße Menre an Kohlenstoff in der Schmelze, der spater als Graphit ausgefällt wird. Dies beeinflusst normalerweise die Verarteitbarkeit und die Festigkeit so sehr, daß die~e Kombinationen nicht die verbesserten Eigenschaften aufweisen, die normalerweise *^;ät der Erfindung erzielbar· sind. Diese Materialien, bei denen eine ~roBe !v'.en^e an Graphit pelöot ".-*', können sich Jedoch als Lagermetalle oder für andere speziell e ü'.vecke als nützlich und vorteilhaft erweisen*

Die in höherem '.!aie'hitzebeständiren und stabilen Partikel sollen für die höher schmelzenden ketalIe". und Legierungen gewählt werden.

Zwei spezielle Ausführun»^-sbeispiele gemäß der Erfindung werden nachstehend beschrieben. Für das reine I'.ietall sind 0,2?o Streck— grenze in den Si enschaftentabellen der folgenden Beispiele gezeigt.

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5· Dez. 1966

Beispiel I

100 gr Blei mit 8% Aluminiumoxyd mit einer Partikelgröße von 0,02 bis 0,04 Mikron wurde mit Hilfe eines Propellermischers in einem Teflontiegel in Luft geschmolzen und gemischt. Das Blei wurde geschmolzen und umgerührt, bis die Oxydationserscheinung aufzutreten begann und nach einer kurzen Zeitdauer war das .Aluminiumoxyd von dem Blei benetzt, während es gründlich gemischt war. Die Mischung; wurde dann gepresst, gewalzt und in Probestücke geschnitten, um die Streckgrenze unter Druck zu prüfen, wobei die Resultate nach folgender Tabelle erzielt wurden:

Werte für Beispiel I

Temperatur ⁰G

Bei, Beispiel I (kg/cm²)

Re in er s; Blei

Raumtemperatur	150	205 ■	.260
420	315	175	175
84	0	O	ο-

2-

Die "A'erte in kg/cm" sind die Streckgrenze unter Druck.

Beispiel II

' I TTI "■ . Il Il . . . ₍ .. ■

100 gr Zirn mit 8% Aluminiumoxyd mit einer Partikelgröße Von 0,02 bis 0,04 Mikron wurden mit einem Propellermischer in einem Teflontiegel in Sauerstoffumgebung geschmolzen und gemischt. Das Zinn wurde geschmolzen und so lange umgerührt, bis die 0;-:yclationserseheinungen aufzutreten begannen, und Ji&ih einer kurzen Zeitdauer war das Aluminiumoxyd von dem Zinn benetzt, während es {"rünilich fjemischt war. Die Mischung wurde dann gepresst, gewalzt

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und in Probestücke geschnitten, um die Streckgrenze unter Druck zu prüfen.

Werte für Beispiel II ■

Temperatur ⁰G

Zinn, Beispiel II
£kg/e:

Reines Zinn

Raumtemperatur	95	Ι 50	232	,5
\ I 665	504	455.	,210
■ 14?	Ο	O	O

Die Werte kg/cm siiid. die Streckgrenze unter PruQk.

In den beiliegenden Zeichnunp-;en sind Photographien zweier zusätzliclier dispersionsverstärkter Metalle dargestellt. Figur 1 zeigt in 8.000 fächer Vergrößerung einen Querschnitt durch. Kupfer, das gemäß der Erfindung mit einem Dispersoid aus Tantalkarbid von 7i5 Gewichtsprozent versehen war. Figur 2 zeigt in 10.000 fächer Vergrößerung einen Querschnitt einer Legierung aus 93% Aluminium und 7% Silizium, die gemäß der Erfindung mit einem Dispersoid aus Tantalkarbid von 2 Gewichtsprozent versehen war. In beiden Figuren 1 und 2 sind die kleinen schwarzen Partikel das Dispersoid. ·

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Claims

-ιοί 533193 Β/ρ4892 W/We -.-·■■. 5# Dez# ^1966 ■ Fat e- ή- t a χι s ρ .r ti c h e

1. Verfahren zur Herstellung von dispersionsverstärkten Metallen durch dispergierende, hitzebeständige Partikel, dadurch gekennzeichnet« daß Metall bis in den geschmolzenen Zustand aufgeheizt wird, daß das Metall mit dem Anion der darin zu dispergierenden Partikel gesättigt wird, daß die hitzebestlndigen Partikel dem geschmolzenen Metall beigefügt werden Upd daß das geschmolzene Metall umgerührt wird,.damit eine homogene Dispersion der darin enthaltenen hitzebeständigen Partikel erreicht

■ -. .._ wird. · * ν -:'-■■_

2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus Zinn, Blei, Zink, Aluminium, Kupfer, Magnesium, Kobalt, Nickel Eisen, Chrom, Indium, Silber, Gold, Platin, Molybdän, Niobium, oder Zirkonium besteht b2w. wenigstens eine Komponente dieser Metalle enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hitzebeständigen Partikel aus einer Gruppe gewählt werden, die Oxyde, Karbide, Nitride, Silicide und Boride enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der hitzebeständigen Partikel zwischen 100 Angström und 1 Mikron liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorgang der Sättigung des Metalles mit dem

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Anion des dorin dispergi-erten hitzebe.ständi ^-en Partikels.tins_# Einführen eines Teildruckes des Anions überiüie 3chinelze umfangt, der gleich oder größer als der Gleichgewichts- Teildruck an der Loslichkeitsgrenze des Änions im Metall ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorgang der Sättigun.·; des Metalles mit dem Anion der hitzebeständigen, darin zu dispergierenden Partikel umfasst, daß dem geschmolzenen Metall ausreichende Mengen an Metallvorrat, der das Anion enthält, zur Erzielung einer Sättigung beigefügt werden.

7· Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennseidmet;, rial; ,dor -Vorfron^ der Sättigung des I.'etslles mit dem Anion der hitzebentäniigen, darin zu dispensierenden Partikel umfasst, daß das geschmolzene I'etall in berührung mit dem dar Anion aufweisenden Material gebracht wird.

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