DE3011962A1

DE3011962A1 - Metallkomposition und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE3011962A1
Application number: DE19803011962
Authority: DE
Inventors: Inna Petrovna &Ccaron;ernogolovka Moskovskaja oblast' Borovinskaja; Fedor Ivanovi&ccaron; Moskva Dubovickij; Anatolij Dmitrievi&ccaron; Tomsk Kolmakov; Jurij Michajlovi&ccaron; Maksimov; Aleksandr Grigorevi&ccaron; Mer&scaron;anov; Larisa Grigorevna Tomsk Raskolenko; Mansur Chusiachmetovi&ccaron; Ziatdinov
Original assignee: INST KHIM FIZ AN SSSR; TOM G UNI
Current assignee: Tomskij Gosudarstvennyj Universitet Tomsk Su Ins
Priority date: 1980-03-27
Filing date: 1980-03-27
Publication date: 1981-10-01
Also published as: DE3011962C2

Description

Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf feste Metallkompositionen auf der Basis von Metallen der Gruppe VIII des Periodensystems und von Metallnitriden der Gruppen III bis VII und auf Verfahren zur Herstellung der genannten Kompositionen.
Die erwähnten festen Metallkompositionen können in der Eisen-und Nichteisenmetallurgie als Legierungsstoffe bei der Verhüttung von-Stahl und Legierungen verwendet werden.
Die zur Zeit bekannten als Legierungsstoffe verwendeten Legierungen auf der Basis von Metallen der Gruppe VIII und von Metallnitriden der Gruppen III bis VII besitzen schlechte nicht zuiriedenstellende Eigenschaften. Gewöhnlich enthalten diese Legierungen 3 bis 17 % Stickstoff und weisen eine Dichte von 2 bis 5 g/cm3, eine Porosität von 30 bis 60 % und eine Zerdrückungsfestigkeit von weniger als 2 kg/mm2 auf. Die genannten Legierungen stellen entweder ein Pulver oder ein gesintertes lockeres Brikett dar. Der Stickstoff ist in den erwähnten Legierungen ungleichmäßig verteilt. Gewöhnlich bildet er große Nitride mit Abmessungen bis zu 2 mm, die in der Legierung in Form von einzelnen, nicht miteinander verbundenen Einschlüssen vorhanden sind.
Die niedrige Dichte der oben genannten Legierungen, deren hohe Porosität und die ungleichmäßige Verteilung des Stickstoffs in Form von großen Nitriden führen zu einer niedrigen Stickstoffaufnahme des Stahls und zu einer ungleichmäßigen Stickstoffverteilung innerhalb des Gußblocks. Die niedrige Festigkeit der Legierungen und deren pulverförmige Form führen zu beträchtlichen Verlusten der Legierung beim Legieren, Transportieren und Aufbereiten und verringern einschneidend den Grad und die Stabilität der Stickstoffaufnahme des Stahls.
Zur Herstellung der genannten Legierungen werden heutzutage Legierungen verwendet, die Metalle der Gruppen III bis VII und Eisen enthalten. Gewöhnlich werden die Ausgangslegierungen zu Pulver zerkleinert und eine stickstoffhaltige Atmosphäre eingebracht,bis zu 500 bis 1100C erwärmt und bei dieser Temperatur einige Stunden gehalten.
Die genannten Verfahren sind durch hohen Elektroenergieverbrauch, lange Prozeßdauer und mäßige Qualität der erhaltenen Legierungen gekennzeichnt. Die nach den genannten Verfahren erhaltenen Legierungen müssen gewöhnlich zusätzlich bearbeitet, nämlich brikettiert und gesintert werden.
Bekannt ist beispielsweise eine Legierung auf der Basis von Eisen und Mangan und Chromnitriden. Zur Herstellung des genannten Materials wird eine Legierung aus Eisen mit Mangan und Chrom verwendet, diese wird zu Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 2 mm zerkleinert und innerhalb von 4 Stunden bei 9000C nitriert. Der Stickstoffgehalt beträgt 4 bis 6 %. Das erhaltene Pulver wird zusätzlich brikettiert (JA-PS 27 321, Kl. lot12, 1965).
Zur Erhöhung des Stickstoffgehalts in der Legierung ist ein Verfahren zum stufenweisen Nitrieren bekannt. Nach diesem Verfahren wird die Ausgangs legierung aus Eisen und Mangan zu Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 5 mm zerkleinert und innerhalb von 2 bis 4 Stunden bis zu 10000C erwärmt. Die erhaltene gesinterte Masse wird nochmals zu Pulver zerkleinert und durch Durchleiten von Ammoniak innerhalb von 6 bis 1O Stunden bei 500 bis 7000C nitriert. Das erhaltene Pulver hat einen Stickstoffgehalt von 9 bis 11 % (SE-PS 335 235, 1971).
Bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung von Legierungen auf der Basis von Eisen und Metallnitriden der Gruppen III bis VII, bei dem zur Intensivierung des Prozesses und zur Erzielung eines hohen Stickstoffgehalts eine Ausgangslegierung verwendet wird, die zwei Metalle der Gruppen III bis VII enthält. Die Ausgangslegierung, beispielsweise aus Eisen mit Chrom und Aluminium wird zu Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 60 mm zerkleinert und in einer Stickstoff oder Ammoniakatmosphäre innerhalb von 5 Stunden bei 100000 nitriert.
Nach der Nitrierung beträgt der Stickstoffgehalt des Pulvers bis zu 9,8 % (JA-PS 25 892, Kl. lot16, 1964).
Bekannt ist noch ein Verfahren zur Herstellung von Legierungen auf der Basis von Eisen und Metallnitriden der Gruppen III bis VII, bei dem eine Ausgangslegierung verwendet wird, die zwei Metalle der Gruppen III bis VII enthält. Die Ausgangslegierung aus Eisen mitVanadiumund Manganwird zu Pulver zerkleinert und bis zu 900 bis 11000C erwärmt, unter Durchleitung von Stickstoff innerhalb von 8 Stunden, wobei es zu keinem Abschinelzen kommen darf. Das erhaltene Pulver hat einen Stickstoffgehalt von 6 bis 17 %. Es wird weiter unter Verwendung vc 2 bis 10 % eines Bindemittels brikettiert (US-PS 3 304 175, 1967).
Bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung von Legierungen auf der Basis von Eisen und Vanadium-, Niob-, Chrom und Mangannitriden. Die Ausgangslegierungen aus Eisen mit Vanadium, Niob, Chrom und Mangan werden zu Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,3 bis 0,6 mm zerkleinert und bei einer Temperatur oberhalb 8000C mit Stickstoff gesättigt. Die erhaltene Pulverlegierung hat einen Stickstoffgehalt von 3,4 bis 11,1 % (DE-PS 1 558 500, 1971).
Die oben genannten Legierungen auf der Basis von Eisen und Metallnitriden der Gruppen III bis VII werden in Form von pulverförmigen Materialien mit sehr ungleichmäßiger Stickstoffverteilung erhalten.
Bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung der genannten Legierungen, bei dem zur Erzielung einer gleichmäßigen Stickstoffverteilung der Prozeß in Drehrohrdüsen bei einer Temperatur von 700 bis 11000C durchgeführt wird. Das Material wird jedoch auch in diesem Fall in Form von Pulver erhalten, das ohne zusätzliche Verarbeitung kaum verwendet werden kann (DD-PS Nr. 54 815, 1967).
Die oben genannten Verfahren beweisen, daß es heutzutage kein Verfahren qibt, das die Herstellung von Legierungen auf der Basis von Metallen der Gruppe VIII und von Metallnitriden der III. bis VII. Gruppe mit einer Dichte von mehr als 5 g/cm3 einer Porosität von weniger als 30%, einer Drukcfestigkeit von mehr als 5 kg/mm², einem relativen Verschleiß von weniger als 15, einer Nitridgröße von weniger als 0,1 mm bei einem Stickstoffgehalt von mehr als 5 % mit einer gleichmäßigen Stickstoffverteilung gewährleistet.
Bekannt ist ferner ein Verfahren zur Herstellung hochschmelzender anorganischer Verbindungen, wonach mindestens ein Metall der IV. bis VI. Gruppe mit einem Nichtmetall aus der Gruppe Kohlenstoff, Stickstoff, Bor, Silizium, Sauerstoff, Phosphor, Fluor und Chlor vermischt wird und dem erhaltenen Gemisch ein Zündmittel zugesetzt wird, das die für die Initiierung der Verbrennung der Ausgangskomponenten erforderliche Temperatur erzeugt, und die weitere Umsetzung der Ausgangskomponenten aufgrund der bei der Reaktion frei werdenden Wärme erfolgt (US-PS 3 726 643, 1973). Dieses Verfahren betrifft die Herstellung von Pulvern hochschmelzender anorganischer Verbindungen, insbesondere von Zirkonium-, Titan- und Niobiumnitrid.
Der Schmelzpunkt dieser Nitride liegt weit über der Verbrennungstemperatur, d.h. jener Temperatur, die bei der Umsetzung des Titans, Zirkoniums und Niobiums mit dem Stickstoff nach dem angeführten Verfahren zustandekommt, weshalb die Herstellung eines kompakten Materials nach diesem Verfahren unmöglich ist. Allenfalls können noch Briketts mit einer Dichte, die der des Ausgangspulvers entspricht (2 bis 4 g/cm3), erhalten werden.
Auch die Herstellung eines kompakten Materials nach dem bekannten Verfahren durch Einarbeiten von Pulvern von Metallen der VIII. Gruppe in das Ausgangsgemisch ist ebenfalls unmöglich. Man kann dadurch zwar durch Bildung lokaler geschmolzener Bezirke die Dichte der Briketts auf 4,5 bis 5,0 g/cm3 steigern, doch beobachtet man eine äußerst ungleichmäßige Verteilung des Stickstoffs von 50 bis 100 %. Die aufgeschmolz enen Bezirke alternieren gewöhnlich mit Lunkern und Hohlräumen, wodurch die Druckfestigkeit der erhaltenen Briketts überaus niedrig ist und nicht einmal 5 g/mm2 erreicht.
Dieses Verfahren gewährleistet somit nicht die Herstellung von Legierungen auf der Basis von Metallen der VIII. Gruppe und von Metallnitriden der Gruppen III bis VII mit einer Dichte von mehr als 5 g/cm³, einer Porosität von weniger als 30 %, einer Druckfestigkeit von mehr als 5 kg/mm², einem relativen Abrieb von weniger als 15 E (1 E = relativer Abrieb von Wolframcarbid), einer Nitridgröße von weniger als 0,1 mm bei einem Stickstoffgehalt von mehr als 5 % und einer Ungleichmäßigkeit der Stickstoffverteilung von unter 10 % bei Verwendung der Ausgangsmetalle in Form einzelner Elemente.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung des oben genannten bekannten Verfahrens zur Herstellung von schwerschmelzbaren anorganischen Verbindungen eine Metallkomposition herzute11en, die EigenschlFten besitzt, welche sich von den Eigenschaften der bekannten Legierungen wesentlich unterscheiden, und ohne die zusätzliche Bearbeitung zum Legieren von Stahl und Legierungen verwendet werden kann.
Diese Aufgabe wird wie aus den vorstehenden Ansprüchen ersichtlich gelöst.
Nach dem bekannten Verfahren zur Herstellung von schwerschmelzbaren anorganischen Verbindungen werden erfindungsgemäß als Ausgangsstoffe Legierungen verwendet, die Metalle der VIII. Gruppe und Metalle der III. bis VII. Gruppe enthalten, die man pulverisiert, in eine einen Überschuß an Stickstoff enthaltende Atmosphäre bringt, lokal entzündet und den Stickstoffüberschuß bis zur Beendigung des Verbrennungsprozesses aufrechterhält und bestimmte optimale Parameter für den Stickstoffdruck, den Verteilungsgrad des Pulvers, die vorgängige Erwärmung und die Zusammensetzung der Ausgangslegierungen einhält, wodurch Metallkompositionen erhalten werden, mit einer Dichte von 5,0 bis 8,0 g/cm3, einer Porosität von 1 bis 30 %, einer Druckfestigkeit von 5 bis 300 kg/mm2, einem relativen Abrieb von 1,5 bis 15 E, einem Stickstoffgehalt von 5 bis 17 %, einer Nitridgröße von weniger als 0,1 mm und einer Ungleichmüßigkeit der Stickstoffverteilung, bezogen auf das Volumen, von weniger als 10 %.
So weist z.B. eine erfindungsgemäß hergestellte Metallkomposition aus Nickel und Vanadiumnitriden eine Dichte von 5,8 bis 6,4 g/cm3, eine Porosität von 4,5 bis 19 %, eine Druckfestigkeit von 18 bis 250 kg/mm2, einen relativen Abrieb von 1,9 bis 14, einen Stickstoffgehalt von 8,1 bis 14,5 x, eine Nitridgröße von weniger als 0,02 mm und eine Ungleichmäßigkeit der Stickstoffverteilung, bezogen auf das Volumen, von weniger als 5 % auf.
Die nach dem oben genannten bekannten Verfahren hergestellte bekannte Legietung aus Nickel und Vanadiumnitriden weist eine Dichte von 3,2 bis 4,8 g/cm³, eine Porosität von 34 bis 51 %, eine Druckfestigkeit von weniger als 1 kg/mm², einen relativen Abrieb von mehr als 25, einen Stickstoffgehalt von 8,9 bis 13,8 %, eine Größe der Vanadiumnitride bis zu 0,5 mm und eine Ungleichmäßigkeit der Stickstoffverteilung, bezogen auf das Volumen bis zu 50 % auf.
Die hohe Dichte der erfindungsgemäß herstellbaren festen Metallkomposition bei geringer Porosität, hohem Stickstoffgehalt und gleichmäßiger Stickstoffverteilung, bezogen auf das Volumen, gewährleistet eine hohe, praktisch vollständige Stickstoffaufnahme beim Legieren von Stahl. Die hohe Dichte der festen Metallkomposition, die geringe Größe der Nitride und deren gleichmäßige Verteilung gewährleisten eine hohe Wärmeleitfähigkeit der Komposition, eine rasche Lösung der Komposition in Stahl und eine gleichmäßige Verteilung der Nitride innerhalb des Gußblocks.
Die hohe Dichte der festen Metallkomposition, die geringe Porosität, die hohe Widerstandsfähigkeit und hohe Verschleißfestigkeit schließen Materialverluste beim Transportieren, Aufbereiten und Legieren von Stahl aus.
Die hohe Widerstandsfähigkeit der festen Metallkomposition bei hoher Verschleißfestigkeit vermöglichen deren Verwendung als verschleißfeste Teile von Maschinen und Apparaten.
Man könnte annehmen, daß der Ersatz des Gemisches von Pulvern von Metallen der VIII. Gruppe mit Pulvern von Metallen der III. bis VII. Gruppe durch Legierungen dieser Metalle, um den gewünschten Effekt zu erzielen, nur schwer durchzuführen sei.
Die Wärmetönung der Nitrierung der Legierung ist nicht größer als die des Gemisches, wobei sich die Reaktionsoberfläche praktisch nicht: verändert und die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials, bezogen auf die einzelnen Elemente gleich bleibt.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei Verwendung von Legierungen von Metallen der VIII. Gruppe mit Metallen der III. bis VII. Gruppe eine maximal gleichmäßige Verteilung des Metalls der VIII. Gruppe und der Nitride der Metalle der III. bis VII. Gruppe in der Komposition erzielt wird. Dies kommt dadurch zustande, daß in den Ausgangslegierungen die Metalle der VIII. Gruppe mit den Metallen der III. bis VII. Gruppe auf Atomniveau miteinander vermischt sind. Im Verbrennungsbereich werden die Pulverteilchen der Ausgangslegierung währen der Bildung der Nitride der Metalle der III. bis VII.
Gruppe unter Abscheidung der Metalle der VIII. Gruppe, die dabei zu schmelen beginnen, dispergtert. Es entsteht eine dünne Schicht einer fest-flüssigen Masse aus festen Mikrokörnern von Nitriden und Mikrotröpfchen des flüssigen Metalls der VIII. Gruppe, das durch Oberflächenspannung weiter verdichtet wird. Die in der Früssigkeit (Metalle der VIII.
Gruppe) suspendierten Feststoffteilchen (Nitride der Metalle der III. bis VII. Gruppe) werden von der Flüssigkeit mitgerissen und unterliegen einer dichten Packung. Die dichte Masse erstarrt dann und die kompakte Metallkomposition beginnt zu erkalten.
Erfindunqsqemäß handelt es sich also um eine Metallkomposition auf der Basis von Metalinitriden der III. bis VII.
Gruppe, die dadurch gekennzeichne ist, daß man sie erhielt, indem mitn wenigstens eine Legierung mit wenigstens einem Metall der VIII. Gruppe und wenigstens einem Metall der III.
bis VII. Gruppe zu Pulver zerkleinerte, in eine stickstoffhaltige Atmosphäre mit einem Stickstoffüberschuß einbrachte, die Verbrennung des Gemisches durch lokale Zündung an einer beliebigen Stelle des Gemisches initiierte und den Stickstoffüberschuß bis zur Beendigung der Reaktion aufrechterhielt.
Vorzugsweise verwendet man als Ausgangsmaterial Legierungen, die folgende Bestandteile enthalten: Metalle der VIII. Gruppe 2 bis 70 Gew.-X Metalle dor III. bis VII. Gruppe 98 bis 30 Gew.-%.
Es ist zweckmäßig, als Ausgangsmaterialien Legierungen zu verwenden, die als Metalle der VIII. Gruppe Eisen, Nickel und Kobalt, vorzugsweise Eisen enthalten.
Als Ausgangsmaterial verwendet man Legierungen, die als Metalle der III. bis VII. Gruppe Aluminium, Titan, Zirkonium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan, vorzugsweise Aluminium, Vanadium, Niob, Cr!rom und Mangan, insbesondere Vanadium, Chrom und Mangan, besonders bevorzugt Vanadium, enthalten.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform verwendet man ein Gemisch aus zwei Legierungen, von denen mindestens eine mindestens ein Metall der III. bis V. Gruppe enthält.
Die erfindungsgemäße Metallkomposition sollte so erhalten werden, daß man bei einem Druck von 1 bis 1000 bar arbeitet, zweckmäßig bei 1 bis 500 bar, insbesondere bei 1 bis 300 bar und vorzugsweise bei 2 bis 160 bar.
Die Ausgangsle<ierungen sollten vorher zu einem Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,01 bis 2 mm zerkleinert werden, insbesondere 0,01 bis 0,6 mm, vorzugsweise 0,02 bis 0,3 mm und zweckmäßigerweise 0,04 bis 0,15 mm.
Es ist bevorzugt, die Pulver der Ausgangslegierungen vorher zu pressen und/oder zu beikettieren.
Es hat sich als sinnvoll erwiesen, die Pulver vor der Weiterverarbeitung bis auf 100 bis 7000C zu erwärmen.
Schließlich ist es bevorzugt, daß man die Pulver der Ausgangsleyierungen mit Hilfe einer elektrischen Spirale, eines elektrischen Funkens oder eines elektrischen Lichtbogens mit Pulvern von Metallen der III. bis V. Gruppe oder Pulvermischungen von Metallen der III. bis V. Gruppe mit Metalloxiden der VI. bis VIII. Gruppe zündet.
Damit das Verfahren unter den Verbrennungsbedingungen ablaufen kann, ist meistens erforderlich, daß die Ausgangslegierungen einen ausreichend hohen Gehalt an Metallen der III. bis VII. Gruppe aufweisen, deren Umsetzung mit dem Stickstoff von Wärmeentwicklung begleitet ist, d.h. meist über 50%. In einigen Legierungen kann der Gehalt an Metallen der III. bis VII. Gruppe allerdings auch unter 50 % liegen. Eine Verminderung auf 30 % ist dann zulässig, wenn als Ausgangsmaterial ein Gemisch aus 2 oder mehr Legierungen verwendet wird oder wenn das Ausgangspulver vorgängig erwärmt wird bzw. dann, wenn das Metall der III. bis VII. Gruppe einen hohen Schmelzpunkt aufweist und der Schmelzpunkt der dieses Metall enthaltenden Legierung abgesenkt werden muß.
Um andererseits die Herstellung eines kompakten, dicht gesinterten Materials zu gewährleisten, ist es häufig erforderlich, daß die Ausgangs legierungen einen ausreichenden Gehalt an dem Metall der VIII. Gruppe enthalten, das bei der Nitrierung schmilzt und für die Erzielung des erforderlichen Dichtegrades verantwortlich ist - im allgemeinen 30 bis 70 %. Es gibt jedoch auch Legierungen, die selbst bei einer Metallkonzentration von unter 30 % (bis hin zu 2 %) die Herstellung von ausreichend dichten Metallkompositionen ermöglichen. Im allgemeinen enthalten derartige Legierungen Metalle der III. bis VII. Gruppe, deren Schmelzpunkt dem der daraus entstehenden Nitride (z.B. Vanadiumnitrid) annähernd entspricht. Diese Nitride schmelzen teilweise im Verbrennungsbereich und bewirken damit eine Zuname der Flüssigphase und eine Verdichtung des Produktes.
Erfindungsgemäß werden als Ausgangsstoffe Legierungen verwendet, die als Metalle der VIII. Gruppe Eisen, Nickel und Kobalt enthalten, dies deshalb, weil die Komposition hauptsächlich für das Legieren von Stahllegierungen gedacht ist, in denen außer den drei genannten Metallen keine weiteren Elemente der VIII. Gruppe verwendet werden. Überdies wird Eisen in einer weit größeren Zahl von Stählen und Legierungen verwendet, verglichen mit Nickel und Kobalt. Bekannt ist eine große Zahl von Stählen, für deren Legierung nur Fe-Legierungen in Frage kommen.
In den Ausgangslegierungen verwendet man erfindungsgemäße als Metalle der III. bis VII. Gruppe Aluminium, Titan, Zirkonium, Vanadium, Niobium, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und ,mangan.
Drei davon, nämlich Titan, Zirkonium und Tantal, verwendet man zum Legieren einer beschränkten Zahl von Stählen und Legierungen - die beiden ersten aufgrund der spezifischen Eigenschaften ihrer Nitride und das letztere, da es nur wenig erforscht ist. Aluminium und Niobium werden zwar verglichen mit den drei genannten Metallen häufiger verwendet, jedoch nur äußerst selten für die Legierung von Stahl zusammen mit Stickstoff, da sie mit diesem außerordentlich hochschmelzende Nitride bilden und daher nur beschränkt in Frage kommen.
Am weitesten verbreitet sind Legierungen auf der Basis von Vanadium-, Chrom- und Mangannitrid, vor allem deshalb, weil Legierungen dieser Metalle sehr weit verbreitet sind und praktisch bei allen Klassen von mit Stickstoff legierten Stählen verwendet werden, wobei Legierungen auf der Basis von Vanadiumnitrid infolge seiner höheren Wärmebeständigkeit vorgezogen werden.
In manchen Fällen ist es erforderlich, nicht nur eine Legierung als Ausgangsmaterial zu verwenden, sondern Gemische von zwei oder mehr Legierungen. Für die Legierung von Stählen komplizierter Zusammensetzung ist die Erzielung einer gleichmäßigen Verteilung der Eigenschaften über das gesamte Volumen außerordentlich wichtig. Dies wird erreicht durch die Gleichmäßigkeit in der Verteilung der einzelnen im Metall enthaltenen Elemente. Diese Aufgabe wird weitgehend durch das Legieren mit Mehrkomponentenlegierungen gelöst. Am zweckmäßigsten ist es dabei, als Ausgangsstoffe Gemische von zwei Legierungen zu verwenden, und zwar dann, wenn mindestens eine dieser Legierungen mindestens ein Metall der III. bis V. Gruppe enthält.
Dann nämlich kann eine kompliziert zusammengesetzte Composition mit maximaler Dichte und der erforderlichen gleichmäßigen Verteilung der Nitride erhalten werden.
Je nach der Zusammensetzung der erfindungsgemäß zu erhaltenden Komposition schwanken die lokale Zündung und die Aufrechterhaltung des Stickstoffüberschusses in einem weiten Bereich des Stickstoffdruckes, und zwar von 1 bis 1000 bar, wobei der Ort der Zündung nicht kritisch ist. Die Zündung kann sowohl auf der Oberfläche als auch auf der Innenseite erfolgen sowie auch an zwei oder mehreren Stellen gleichzeitig, und zwar gleichgültig, ob mit einer Haltspirale, einem elektrischen Funken oder durch Lichtbogen. Für die Zündung können beliebige leicht entzLindl)are exotherme Zusamniensetzunyen verwendet werden. Um allein eine Verunreinigung des Materials durch Nebenprodukte weitgehend zu verhindern, verwendet man zu diesem Zweck Pulver von Metallen der III. bis V. Gruppe oder Gemische von Pulvern von Metallen der III. bis V. Gruppe mit Oxiden von Metallen der VI. bis VIII. Gruppe.
Damit die Nitrierung wcihrend der Verbrennung von der Zündung bis zum Abschluß der Verbrennung konstant verläuft, ist im umgebenden Volumen ein Stickstoffüberschuß aufrechtzuerhalten.
Dies geschieht am einfachsten mit Überdruck. Der Stickstoff gelangt dann in die Reaktionszone durch Filtration über das poröse Medium des Ausgangspulvers infolge des Druckgefälles zwischen umgebendem Volumen und der Reaktionszone, in der der Legierungsstickstoff ständig aufgenommen wird.
Im allyemeinen wird der Stickstoff der Verbrennungszone nicht nur durch Aufrechterhaltung von Überdruck zugeführt, sondern auch durch Einblasen von Stickstoff mit Hilfe einer eine ausreichend hohe Blasgeschwindigkeit gewährleistenden Vorrichtung.
Am geeignetsten für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist jedoch die Aufrechterhaltung eines Überdrucks - meist 2 bis 160 bar. Bei derart relativ niedrigen Drücken werden die meisten Legierungen ohne vorgängiges Verpressen und Brikettieren nitriert. Manchmal allerdings werden zwecks Erzielung einer höheren Dichte des Produkts die Pulver verpreßt oder brikettiert. Dies beeinträchtigt die Bedingungen für die Filtration in die Reaktionszone, weshalb zur Gewährleistung einer kontinuierlichen Verbrennung höhere Drücke erforderlich sind, in manchen Fällen bis zu 1000 bar.
Für die erfindungsgemäße Komposition ist der Verteilungsgrad des Pulvers äußerst wichtig. Für jedes Material gibt es einen optimalen Teilchendurchmesser, bei dem dann ein Produkt mit den erforderlichen Eigenschaften erhalten wird - meist unter 0,04 mm bis unter 0,15 mm. Derartige Teilchendurchmesser gewährleisten eine ausreichend hohe Reaktionsoberfläche und die Durchführung des Verfahrens unter Verbrennungsbedingungen.
Manchmal sind auch noch feinere Pulver erforderlich (unter 0,02 mm bis unter 0,01 mm). Die Verwendung von äußerst feinen Pulvern hängt zusammen mit dem niedrigen Grad der exothermen Reaktion bei einigen Legierungen bzw. mit der Notwendigkeit, das Verfahren bei niedrigeren Stickstoffdrücken durchzuführen oder mit der Notwendigkeit, die Sinterbedingungen zu verbessern und ein dichteres Produkt zu erhalten.
Manchmal ist es aber auch zweckmäßig, gröberes Pulver zu verwenden - gewöhnlich bei der Nitrierung eines Gemisches aus mehreren Legierungen. Eine Legierung mit einem größeren Teilchendurchmesser, die einen geringeren Grad der exothermen Reaktion zeigt, vermischt man mit einer Legierung mit einem geringeren Teilchendurchmesser, die gewöhnlich einen höheren Grad der exothermen Reaktion zeigt. Bei einer derartigen Nitrierung führt das grobe Pulver zu einem dichteren Produkt, d.h.
es wirkt als Beschwerungsmittel.
Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Komposition ist es manchmal auch erforderlich, das Ausgangspulver vorgängig zu erwärmen, da einige Legierungen einen geringen Grad der exothermen Reaktion zeigen und ohne vorgängige Erwärmung unter Verbrennungsbedingungen nicht nitriert werden können. Die Erwärmung erfolgt dabei auf Temperaturen, bei denen es noch zu keiner Umsetzung der Ausgangslegierung mit Stickstoff kommt.
Gewöhnlich liegen sie erheblich unter jenen, die bei der Nitrierung nach bekannten Verfahren ohne Verbrennung aufrecht erhalten werden.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1 Metallkomposition aus Nickel und Vanadiumnitrid und deren Herstellung.
Als Ausgangsmaterial wird eine Legierung verwendet, die 48,31 % Nickel, 51,15 % Vanadium und 0,54 % Zusätze enthält.
Die genannte Legierung wird zu Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,2 mm zerkleinert. Das erhaltene Pulver wird in einen Behälter aus siliziertem Graphit geschüttet und in einen hermetisch ahgedichteten Reaktor eingebracht. Der Reaktor wird mit Stickstoff bis zu 100 bar gefüllt. Mit Hilfe einer erwärmten Wolframspirale und einer Einwaage eines Gemisches aus Aluminium- und Eisenoxidpulver wird die Umsetzung der Ausgangslegierung mit dem Stickstoff eingeleitet. Durch die Reaktion wird Wärme ausgeschieden, mittels der eine weitere Nitrierung in der sich entlang der Ausgangslegierung bewegenden Brennzone erfolgt. Die Temperatur in der Brennzone beträgt 15500C und die Bewegungsgeschwindigkeit der Brennzone 0,35 cm/sec.
Das erhaltene Material stellt eine feste Metallkomposition aus Nickel und Vanadiumnitrid dar. Der Stickstoffgehalt beträgt 11,50 X, die Dichte 6,12 g/cm3, die Porosität 7,6 %, die Druckfestigkeit 112,1 kg/nm2, der relative Abrieb 2,99, die Nitridgröße weniger als 0,01 mm und die Ungleichmäßigkeit der Stickstoffverteilung, bezogen auf das Volumen, weniger als 4 S.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Tabellen gezeigt.
Die Menge der Zusätze in den erhaltenen Metallkompositionen kann bis zu 3,5 % betragen. Als Zusätze werden gewöhnlich Aluminium, Silizium, Kohlenstoff, Sauerstoff, Schwefel und Phosphor verwendet.
Tabelle 1 Gehalt Gehalt Menge Disper- Stick- An- gezün- Zünd- Brenn Anmer-Nr. Ausgangs- an Me- an Me- an sions- stoff- fangs- det stoff tempe- kung legierungen tallen tallen Zusät- grad druck, tempe- durch ratur, der der zen, der atm ratur °C Gruppe Grup- % Pulver, der Brenn-VIII, pen III weniger Pul- ge-% bis VII, als mm ver, schwin-% °C digkeit, cm/sec 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Alumi- 1550 1 Nickel-Vanadium 48,31 51,15 0,54 0,20 100 20 Wolf- nium- 0.35 ram- Eisen-Spirale oxid-Gemisch 2 Eisen-Vanadium 58,14 40,66 1,20 0,80 200 100 el. Titan 1470 Licht- 0,12 bogen 3 Eisen-Vanadium 44,61 54,50 0,89 0,14 1000 20 el. Vana- 1580 Briket-Spirale dium 0,65 tierung 4 Eisen-Vanadium 38,24 60,09 1,67 0,05 150 20 el. Vana 1560 Licht- 0,24 bogen 5 Eisen-Vanadium 18,69 80,22 1,09 0,04 1 300 el. Vana- 1450 Spirale dium 0,16 Tabelle 1 (Fortsetzung) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 6 Einsen-Vanadium 7,21 90,29 2,50 0,10 250 20 el. Vana- 1720 Funken dium 0,70 7 Eisen-Niob 33,64 65,88 0,48 0,05 100 20 el. Niob 1650 Spirale 0,09 8 Kobalt-Titan 28,13 71,21 0,64 0,30 300 20 el. Titan 1770 Pressung Funken 0,25 9 Kobalt-Nickel 14,07 70,15 1,72 0,10 120 20 el. Zirko- 1820 Zirkonium 14 06 Spirale nium 0,85 10 Einsen-Niob- 33,58 32,98 0,48 0,08 80 20 el. Alumi- 1620 Tantal 32,96 Licht- nium- 0,14 bogen Einsenoxid-Gemisch 11 Eisen-Vanadium, 44,61 54,50 0,89 0,05 500 20 el. Niob 1610 Pressung Eisen-Niob 33,64 65,88 0,48 0,05 Spirale 0,22 12 Einsen-Aluminium- 17,73 17,69 0,57 0,10 150 20 el. Alumi- 1470 Chrom 64,01 Funken nium- 0,21 Einsenoxid-Gemisch 13 Eisen-Vanadium, 67,70 32,21 0,09 0,04 120 700 el. Vana- 1420 Eisen-Mangan 2,0 97,64 0,36 0,10 Spirale dium 0,15 Tabelle 1 (Fortsetzung) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14. Einsen-Vanadium, 18,69 80,22 1,09 0,04 200 300 elektr. Vana- 1520 Einsen-Chrom 28,94 70,51 0,45 0,08 Spirale dium 0,30 15 Einsen-Chrom 8,87 44,92 1,27 0,01 150 700 el. Titan 1510 Mangan 44,94 Funken 0,11 16. Einsen-Vanadium, 18,09 80,22 1,09 0,04 120 20 elektr. Vana- 1580 Einsen-Wolfram 44,61 54,60 0,79 2,00 Spirale dium 0,28 17. Einsen-Vanadium 18,69 80,22 1,09 0,04 150 20 Licht-. Vana- 1510 Einsen-Mangan 2,00 97,64 0,36 0,10 bogen 0,13 Einsen-Chrom 28,94 70,51 0,45 0,08 18. Einsen-Vanadium 18,69 80,22 1,09 0,04 300 20 elektr. Vana- 1550 Einsen-Molybdän 35,12 63,14 1,74 1,00 Spirale dium 0,20 Tabelle 2 Nr. Stick- Dichte, Poro- Zerdrük- rela- Nitrid- Ungleich- Anmerstoff- g/cm³ sität, kungsfe- tiver große, mäßigkeit kung gehalt % stigkeit, Ver- weniger der Stick-% kg/mm² schleiß als mm stoffverteilung, % 1 13 14 15 16 17 18 19 20 1 11,50 6,12 7,6 112,1 2,9 0,01 4 2 8,64 6,52 1,0 300,0 1,5 0,005 3 3 10,72 6,29 2,9 91,4 1,9 0,008 5 4 12,11 5,84 12,1 15,2 8,4 0,02 5 5 16,11 5,29 15,12 7,9 9,5 0,03 7 6 17,00 5,21 18,14 10,1 7,7 0,02 6 7 6,54 7,12 21,13 12,1 8,9 0,01 10 8 11,51 5,00 15,1 7,4 15,0 0,10 9 9 7,40 7,51 10,4 21,1 5,9 0,05 6 10 5,00 8,00 18,9 11,9 4,8 0,02 8 11 8,63 6,59 9,14 39,1 4,9 0,008 5 12 14,53 5,11 24,34 6,12 12,4 0,08 6 13 9,91 5,61 15,4 19,4 11,9 0,02 4 14 13,13 5,94 12,1 33,4 8,5 0,01 7 Tabelle 2 1 13 14 15 16 17 18 19 20 15 7,6 5,12 30,0 5,1 14,8 0,08 9 16 12,1 8,00 20,4 12,7 4,1 0,1 4 17 11,2 5,44 18,9 15,9 8,3 0,04 6 18 9,43 6,14 22,4 41,1 7,4 0,06 5

Claims

METALLKOMPOSITION UND VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG Patentansprüche 1. Metallkomposition auf der Basis von Metallen der VIII. Gruppe und Metallnitriden der III. bis VII. Gruppe, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie erhalten worden ist, indem man wenigstens eine Legierung mit wenigstens einem Metall der VIII Gruppe und wenigstens einem Metall der III. bis VII.

Gruppe zu Pulver zerkleinerte, in eine stickstoffhaltige Atmosphäre mit einem Stickstoffüberschuß einbrachte, die Verbrennung des Gemisches durch lokale Zündung an einer beliebigen Stelle des Gemisches initiierte und den Stickstoffüberschuß bis zur Beendigung der Reaktion aufrechterhielt.
2. Metallkomposition nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß man als Ausgangsmaterialien Legierungen verwendet, die folgende Bestandteile in folgenden Verhältnissen in Gew.-S enthalten: Metalle der VIII. Gruppe 2 bis 70 % Metalle der III. bis VII. Gruppe 98 bis 30 %.
3. Metallkomposition nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß man als Ausgangsmaterialien Legierungen verwendet, die als Metalle der VIII. Gruppe Eisen, Nickel und Kobalt enthalten.
4. Metallkomposition nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß man als Ausgangsmaterialien Legierungen verwendet, die als Metall der VIII. Gruppe Eisen enthalten.
5. Metallkomposition nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man als Ausgangsmaterialien Legierungen verwendet, die als Metalle der III. bis VII. Gruppe Aluminium, Titan, Zirkoniuin, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan enthalten.
6. Metallkomposition nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß man als Ausgangsmaterialien Legierungen verwendet, die als Metalle der III. bis VII. Gruppe Aluminium, Vanadium, Niob, Chrom und Mangan enthalten.
7. Metallkomposition nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß man als Ausgangsmaterialien Legierungen verwendet, die als Metalle der III. bis VII. Gruppe Vanadium, Chrom und Mangan enthalten.
8. Metallkomposition nach Anspruch 7, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , daß man als Ausgangsmaterialien Legierungen verwendet, die als Metalle der III. bis VII.

Gruppe Vanadium enthalten.
9. Metallkomposition nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man als Ausgangsmaterialien ein Gemisch aus zwei Legierungen verwendet, von denen mindestens eine mindestens ein Metall der III.

bis V. Gruppe enthält.
10. Metallkomposition nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man lokal zündet und einen Stickstoffüberschuß bei einem Druck von 1 bis 1000 bar aufrechterhält.
11. Metallkomposition nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man lokal zündet und einen Stickstoffiiberschuß bei einem Druck von 1 bis 500 bar aufrechterhält.
12. Metallkomposition nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man lokal zündet und einen Stickstoffüberschuß bei einem Druck von 1 bis 300 bar aufrechterhält.
13. Metallkomposition nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man lokal zündet und einen Stickstoffüberschuß bei einem Druck von 2 bis 160 bar aufrecht erhält.
14. Metallkomposition nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man die Ausgangs legierungen vorher zu einem Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,01 bis 2 mm zerkleinert.
15. Metallkomposition nach Anspruch 14, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß man die Ausgangslegierungen vorher zu einem Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,01 bis 0,6 mm zerkleinert.
16. Metallkomposition nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man die Ausgangslegierungen vorher zu einem Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,02 bis 0,3, mm zerkleinert.
17. Metallkomposition nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man die Ausgangslegierungen vorher zu einem Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,04, bis 0,15 mm zerkleinert.
18. Metallkomposition nach einem der Ansprüche 1 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man die Pulver der Ausgangslegierungen vorher preßt.
19. Metallkomposition nach einem der Ansprüche 1 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man die Pulver der Ausgangslegierungen vorher brikettiert.
20. Metallkomposition nach einem der Ansprüche 1 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man die Pulver der Ausgangslegierungen vorher bis zu 100 bis 700°C erwärmt.
21. Metallkomposition nach einem der Ansprüche 1 bis 20, d a -d u r c h g e k e n n z e- i c h n e t , daß man die Pulver der Ausgangslegierungen mit Hilfe einer elektrischen Spirale, eines elektrischen Funkens oder eines elektrischen Lichtbogens mit Pulvern von Metallen der III. bis V. Gruppe oder Pulvermischungen von Metallen der III. bis V. Gruppe mit Metalloxiden der VI. bis VIII. Gruppe zündet.
22. Verfahren zur Herstellung einer Metallkomposition nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß man wenigstens eine Legierung mit wenigstens einem Metall der VIII. Gruppe und wenigstens einem Metall der III. bis VII.

Gruppe zu Pulver zerkleinert, in eine stickstoffhaltige Atmosphäre mit einem Stickstoffüberschuß einbringt, die Verbrennung des Gomisches durch lokale Zündung an einer beliebigen Stelle des Gemisches initiiert und den Stickstoffüberschuß bis zur Beendigung der Reaktion aufrechterhält.
23. Verfahren nach Anspruch 22, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß man als Ausgangsmaterialien Legierungen verwendet, die folgende Bestandteile in folgenden Verhältnissen in Gew.-% enthalten: Metalle der VIII. Gruppe 2 bis 70 % Metalle der III. bis VII. Gruppe 98 bis 30 %.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 und 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man als Ausgangsmaterialien Legierungen verwendet, die als Metalle der VIII. Gruppe Eisen, Nickel und Kobalt enthalten.
25. Verfahren nach Anspruch 24,. d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß man als Ausgangsmaterialien Legierungen verwendet, die als Metall der VIII. Gruppe Eisen enthalten.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man als Ausgangsmaterialien Legierungen verwendet, die als Metalle der III. bis VII. Gruppe Aluminium, Titan, Zirkonium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan enthalten.
27. Verfahren nach Anspruch 26, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß man als Ausgangsmaterialien vorzugsweise Legierungen verwendet, die als Metalle der III. bis VII.

Gruppe Aluminium, Vanadium, Niob, Chrom und Mangan enthalten.
28. Verfahren nach Anspruch 27, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß man als Ausgangsmaterialien vorzugsweii se Legierungen verwendet, die als Metalle der III. bis VII.

Gruppe Vanadium, Chrom und Mangan enthalten.
29. Verfahren nach Anspruch 28, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß man als Ausgangsmaterialien vorzugsweise Legierungen verwendet, die als Metalle der III.

bis VII. Gruppe Vanadium enthalten.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 29, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man als Ausgangsmaterialien ein.Gemisch aus zwei Legierungen verwendet, von denen mindestens eine mindestens ein Metall der III. bis V. Gruppen enthält.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 30, d a -d u r c h cI e k e n n z e i c h n e t , daß man lokal zündet und einen Stickstoffüberschuß bei einem Druck von 1 bis 1000 bar aufrechterhält.
32. Verfahren nach Anspruch 31, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß man lokal zündet und einen Stickstoffüberschuß bei einem Druck von 1 bis 500 bar aufrechterhült.
33. Verfahren nach Anspruch 32, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß man lokal zündet und einen Stickstoffüberschuß bei einem Druck von 1 bis 300 bar aufrechterhält.
34. Verfahren nach Anspruch 33, d a d u r c h y e -k e n n z e i c h n e t , daß man lokal zündet und einen Stickstoffüberschuß bei einem Druck von 2 bis 160 bar aufrechterhält.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 34, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man die Ausgangslegierungen vorher zu einem Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,01 bis 2 mm zerkleinert.
36. Verfahren nach Anspruch 35, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß man die Ausgangslegierungen vorher zu einem Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,01 bis 0,6 mm zerkleinert.
37. Verfahren nach Anspruch 36, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß man die,Ausgangslegierungen vorher zu einem Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,02 bis 0,3 nun zerkleinert.
38. Verfahren nach Anspruch 37, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß man die Ausgangslegierungen vorher zu einem Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,04 bis 0,15 mm zerkleinert.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 38, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man die Pulver der Ausgangslegierungen vorher preßt.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 38, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man die Pulver der Ausgangslegierungen vorher brikettiert.
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 40, d a -d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man die Pulver der Ausgangslegierungen vorher bis zu 100 bis 700°C erwärmt.
42. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 41, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man die Pulver der Ausgangslegierungen mit Hilfe einer elektrischen Spirale, eines elektrischen Funkens oder eines elektrischen Lichtbogens mit Pulvern von Metallen der III. bis V. Gruppe oder Pulvermischungen von Metallen der III. bis V. Gruppe mit Metalloxiden der VI. bis VIII. Gruppe zündet.
43. Metallkomposition , nach einem der Ansprüche 1 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man als Ausgangsmaterialien Legierungen verwendet, die folgende Bestanzteile in folgenden Verhältnissen in Gew.-% enthalten: Metalle der VIII. Gruppe 30 bis 60 % Metalle der III. bis VII. Gruppe 70 bis 40 %.