DE3887987T2

DE3887987T2 - Verfahren zur Modifikation der Oberfläche von Metall- oder Metallegierungs-Substraten und so hergestellte oberflächenmodifizierte Produkte.

Info

Publication number: DE3887987T2
Application number: DE3887987T
Authority: DE
Inventors: Robert B Pond
Original assignee: TRIAD INVESTORS CORP
Current assignee: TRIAD INVESTORS CORP
Priority date: 1988-09-13
Filing date: 1988-09-26
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 2008-09-27
Also published as: US4881681A; CA1295442C; DE3887987D1; JP2613100B2; JPH0288778A; AU2284788A; AU608063B2; EP0358829B1; EP0358829A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Modifizieren der Oberflächeneigenschaften von aus einem reaktiven Metall oder einer reaktiven Metallegierung bestehenden oder anderen geeigneten ausgedehnten Substraten, und auf oberflächenmodifizierte Substrate sowie auf Körper mit einer Mehrzahl von darauf hergestellten, fest gebundenen Metall- oder Legierungssubtraten. Der hier verwendete Begriff "ausgedehntes Substrat" bedeutet ein Substrat, das nicht in pulveriger oder ähnlicher Teilchenform vorliegt und eine ausgedehnte Oberfläche für eine Modifizierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufweist. Der Begriff "Metall bzw. Metallegierung", soweit nicht anderweitig spezifiziert, bedeutet hier ein reaktives Metall bzw. eine reaktive Metalllegierung.
Üblicherweise bei technischen Anwendungen verwendete reaktive Metalle wie beispielsweise Aluminium, Magnesium und Titan sind kratzempfindlich, aber in ihrem elementaren Zustand brauchbar. Die meisten Legierungen solcher reaktiven Metalle sind gleichermaßen brauchbar, obwohl sie kratzempfindlich sind. Der Bereich der möglichen Brauchbarkeit dieser Metalle und Legierungen könnte allerdings stark erweitert werden, wenn man die Oberflächen der Metalle und Legierungen kratzbzw. abriebfest machen könnte.
Der vorliegende Erfinder hat ein Verfahren gefunden, mit welchem die Oberflächen reaktiver Metalle oder Legierungen so modifiziert werden können, daß die Oberflächeneigenschaften des Metalls bzw. der Legierung in vorteilhafter Weise verändert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert diese Modifizierung die Verwendung eines Materials wie beispielsweise Flugasche, das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe anfällt, oder ein Gemisch aus pulverisierten Oxiden ähnlich denjenigen, wie sie in Flugasche enthalten sind. Die grundsätzlichen chemischen Reaktionen, die während des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung auftreten, sind an sich bekannt und treten auch in dem als "Thermitverfahren" bekannten Prozeß auf. Das Thermitverfahren wird im allgemeinen zur Reparatur von Eisen- oder Stahlabschnitten an Ort und Stelle eingesetzt, wie beispielsweise bei Eisenbahnschienen. Bei dem Thermitverfahren werden Aluminiumpulver mit Eisenoxidpulvern vermischt und ausgezündet. Der Prozeß verläuft autogen und hört auf, wenn das Eisenoxid vollständig durch das Aluminium reduziert worden ist. Das Aluminium wird oxidiert und die Oxidationswärme ist so hoch, daß das erzeugte Eisen sich in überhitzem geschmolzenem Zustand befindet. Das Verhältnis von Eisenoxid zu Aluminium muß so eingestellt werden, daß kein Überschußaluminium verfügbar ist, das eine Legierung mit dem Eisen eingehen kann.
Ein Verfahren zum Herstellen von Metallkompositwerkstoffen durch Erhitzen eines homogen Gemisches aus Flugasche und einer Metallmatrix ist in der EP-A-0 282 191 beschriebenen.
Es wurde nun herausgefunden, daß es möglich ist, die chemische Reaktion zwischen Aluminium und Flugasche oder anderen Oxiden mit einer niedrigen Oxidationswärme als derjenigen von Aluminiumoxid und bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts von Aluminium herbeizuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren schafft eine Möglichkeit zur Erzeugung einer fest gebundenen abriebfesten Schicht auf einem ausgedehnten Substrat aus reaktivem Metall oder einer reaktiven Metalllegierung durch Vorbereiten der Oberfläche eines solchen Metall- bzw. Metallegierungssubstrats, Einpacken desselben in Flugachse oder einem Gemisch von Eisenoxid und anderen Komponenten und anschließendes Erhitzen auf Temperaturen gerade unterhalb des Schmelzpunkts des Metalls bzw. der Legierung, wodurch eine fest gebundene Oberflächenschicht auf dem Metall- bzw. Legierungssubstrat hergestellt wird. Da die Oberflächenschicht fest an das Substrat gebunden ist, ist es auf möglich, eine geschichtete Struktur aufzubauen, indem eine Mehrzahl solcher reaktiver und ausgedehnter Metall- bzw. Legierungssubstrate bereitgestellt, Flugasche oder ein Gemisch von Oxiden einschließlich Eisenoxid zwischen die Substrate gepackt und dann die Schichtanordnung auf gerade unterhalb des Schmelzpunkts des Metalls bzw. der Legierung erwärmt wird. Die so erhaltene Struktur enthält abwechselnde Schichten aus einem sehr weichen zähen Material und einem sehr harten spröden Material. Das so erhaltene Produkt ist makroskopisch reminiszent dem Mikrobestandteil Perlit von Stahl oder der Makrostruktur von Damaskusstahl.
Es wurde des weiteren gefunden, daß ein hartes Schleifmaterial ohne Anwendung der hohen Temperaturen hergestellt werden kann, die zum Herstellen von Alundum oder synthetischem Korund aus Bauxit erforderlich sind. Gemäß einem bekannten Verfahren wird künstliches Korund oder Schmirgel hergestellt, indem man Eisenoxid und Aluminiumoxid miteinander verschmelzen läßt. Dieser Vorgang wird durch Erhitzen des Minerals Bauxit auf sehr hohe Temperaturen oberhalb 1093ºC (2000ºF) ausgeführt und ergibt ein industriell brauchbares Schleifmaterial, das als Alundum bekannt ist. Ein hartes Schleifmaterial kann durch Kombinieren von Flugasche oder einem ähnlichen Oxidgemisch und pulverisiertem Aluminium und anschließendes Erhitzen des Gemisches auf eine Temperatur deutlich unterhalb 1093ºC (2000ºF) hergestellt werden. Das harte Schleifmaterial nach dieser Erfindung wird an Ort und Stelle während seiner Herstellung an ein Werkzeugteil gebunden und kann in eine geeignete Konfiguration zum späteren Gebrauch als Einsatz für einen Bearbeitungsvorgang geformt werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Modifizieren der Oberfläche eines ausgedehnten Substrats aus einem reaktiven Metall oder einer reaktiven Metallegierung und auf danach hergestellte oberflächenmodifizierte Substrate. Eine fest gebundene abriebfeste Oberflächenschicht wird auf einem solchen Metall- bzw. Metallegierungssubstrat gebildet, in dem auf das Substrat ein pulverisiertes Gemisch von Oxiden aufgebracht wird, wobei mindestens eines der Oxide eine niedrigere Oxidationswärme als die Oxidationswärme des Oxids des Substrats hat, und indem dann das Substrat mit dem darauf aufgebrachten Oxidpulver auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts bzw. der Solidustemperatur des Metall- bzw. Metallegierungssubtrats erwärmt wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines ausgedehnten Substrats aus einem reaktiven Metall oder einer reaktiven Metallegierung mit einer harten bzw. abriebfesten Schicht geschaffen, die daran fest gebunden ist, wobei das Verfahren umfaßt: Aufbringen eines pulverisierten Gemischs, das Siliziumoxid und Eisenoxid enthält, auf mindestens eine Außenfläche eines ausgedehnten Substrats aus reaktivem Metall oder einer reaktiven Metallegierung, und Erwärmen des Substrats und des pulverisierten Gemischs auf eine Temperatur zwischen unterhalb des Schmelzpunkts bzw. der Solidustemperatur des Substrats und etwa dem Schmelzpunkt bzw. der Solidustemperatur des Substrats, wodurch eine harte bzw. abriebfeste, fest an das Substrat gebundene Schicht erzeugt wird.
Bei einer Ausführungsform kann eine Mehrzahl solcher Metall- bzw. Metallegierungssubstrate miteinander verbunden sein, beispielsweise in einer geschichteten oder ineinandergreifenden Anordnung, in dem ein pulverisiertes Gemisch aus Oxiden zwischen benachbarten Metall- bzw. Metallegierungssubstraten eingebracht wird und dann die Substrate und das pulverisierte Gemisch zur festen Bindung der benachbarten Substrate aneinander mit einer dazwischenliegenden hochfesten, harten Schicht erwärmt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines ausgedehnten Substrats mit einer daran fest gebundenen Schleifflächenschicht geschaffen, das umfaßt: Aufbringen eines pulverisierten Gemisches aus Flugasche und einem reaktiven Metall oder einer reaktiven Metallegierung auf mindestens eine Außenfläche des Substrats, und Erwärmen des Substrats und des pulverisierten Gemischs auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts bzw. der Solidustemperatur des Metalls bzw. der Metallegierung, wodurch eine fest gebundene Schleifflächenschicht auf dem Substrat hergestellt wird.
Das pulverisierte Metall kann Aluminium sein, das zu dem pulverisierten Oxidgemisch zugegeben wird, um ein hartes Schleifmaterial oder eine harte Schleifflächenschicht auf einem ausgedehnten reaktiven Metall- bzw. Metallegierungssubstrat zu erzeugen.
Deshalb liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein ausgedehntes Substrat aus reaktivem Metall oder einer reaktiven Metallegierung mit einer daran fest gebundenen abriebfesten Oberflächenschicht herzustellen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Modifizieren der Oberfläche eines ausgedehnten Substrats aus reaktivem Metall oder einer reaktiven Metallegierung unter Verwendung eines billigen pulverisierten Oxidgemisches, insbesondere Flugasche.
Ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum gegenseitigen Verbinden einer Mehrzahl ausgedehnter Substrate aus reaktivem Metall bzw. einer reaktiven Metallegierung unter Verwendung eines billigen pulverisierten Oxidgemischs, insbesondere Flugasche.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Bildung einer harten Schleifflächenschicht auf einem ausgedehnten Bauteilbereich aus reaktivem Metall oder einer reaktiven Metallegierung.
Ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Verwendung eines leicht erhältlichen billigen Erdprodukts wie beispielsweise Flugasche, das sonst im allgemeinen deponiert und als Bodenverfüllmaterial oder dgl. verwendet wird.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den Ausführungsbeispielen.

Detaillierte Beschreibung - bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Wie oben erwähnt, ist nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Modifizieren der Oberflächeneigenschaften eines ausgedehnten Substrats aus reaktivem Metall oder einer reaktiven Metallegierung geschaffen. Bei diesem Verfahren wird eine fest gebundene abriebfeste Oberflächenschicht auf mindestens einer Außenfläche des Metall- bzw. Metallegierungssubstrats erzeugt. Ein Pulver aus einem Gemisch von Oxiden wird auf der Außenfläche des Metall- bzw. Metallegierungssubstrats aufgebracht, und dann wird das Substrat mit dem darauf aufgebrachten Pulver erwärmt, um auf dem Substrat eine fest gebundene abriebfeste Oberflächenschicht zu erzeugen. Vorzugsweise ist das ein Gemisch von Oxiden enthaltende Pulver Flugasche.
Das Substrat kann aus einem reaktiven Metall oder einer reaktiven Metallegierung bestehen. Unter dem als Substrat bei der vorliegenden Erfindung brauchbaren reaktiven Metallen sind beispielsweise Aluminium, Magnesium, Titan, Zirkonium, Molybdän und Chrom. Von diesen reaktiven Metallen wird Aluminium besonders bevorzugt. Die als Substrat brauchbaren Metallegierungen umfassen z.B. : Aluminiumlegierungen wie beispielsweise ASTM 1100, 2024 und 7075, Magnesiumlegierungen wie beispielsweise Dowmetal, ASTM FS-1 und Dowmetal J-1 ("Dowmetal" und "Dowmetal J-1" sind eingetragene Warenzeichen), und Titaniumlegierungen wie beispielsweise Ti6.4 (Ti6Al4V). Das ausgedehnte reaktive Metall- bzw. Legierungssubstrat kann jede gewünschte Form haben, also beispielsweise als Draht, Stange, Platte oder dgl. vorliegen, solange es nicht pulverförmig ist. Die Erfindung ist anderweitig durch die Form des Metall- oder Legierungssubstrats nicht beschränkt, und der vorgesehene Einsatz des oberflächenmodifizierten Substrats bestimmt typischerweise dessen Form.
Das auf das Metall- bzw. Legierungssubstrat aufgebrachte Pulver enthält mindestens Siliziumoxid und Eisenoxid. Die Oxide in dem Pulver müssen eine Oxidationswärme haben, die niedriger als die Oxidationswärme des reaktiven Metalls bzw. eines reaktiven Metalls in der Metallegierung des Substrats ist. Vorzugsweise enthält das Pulver Flugasche, dessen Hauptbestandteile Aluminiumoxid, Siliziumoxid und Eisenoxid sind. Die Teilchengröße des auf das reaktive Metall- bzw. Legierungssubstrat aufgebrachten Pulvers wird grundsätzlich entsprechend der gewünschten Dicke der auf dem Substrat herzustellenden abriebfesten Oberflächenschicht gewählt. Durchschnittliche Teilchengrößen im Bereich von 1 bis 275 Mikrometer können verwendet werden.
Gemäß der Erfindung wird, nachdem das Pulver auf die Oberfläche des ausgedehnten reaktiven Metall- bzw. Legierungssubstrats aufgebracht worden ist, das Substrat mit dem darauf befindlichen Pulver erhitzt, um die fest gebundene abriebfeste Oberflächenschicht zu erzeugen. Die Temperatur, auf welche die Anordnung erhitzt wird, wird durch die Komponenten des Substrats bestimmt. Vorzugsweise werden das Pulver und das Substrat auf eine Temperatur gerade unterhalb des Schmelzpunkts bzw. der Solidustemperatur des reaktiven Metalls bzw. der Metallegierung des Substrats erwärmt. Um eine ausreichende Bindung der Oberflächenschicht an das Substrat sicherzustellen, sollte die Erhitzungstemperatur im Bereich von etwa 14ºC (25ºC) unterhalb des Schmelzpunkts bzw. der Solidustemperatur liegen. Die Erwärmung wird gehalten, bis eine gewünschte oder maximale Härte erreicht worden ist.
In manchen Fällen kann es zweckmäßig oder wünschenswert sein, die Reaktion, welche die Oberflächenmodifizierung bzw. die Bindung erzeugt, zu beschleunigen. Dies kann im Falle reaktiver Metallegierungen durch Anheben der Erhitzungstemperatur auf eine Temperatur erfolgen, die knapp oberhalb der Solidustemperatur der Legierung liegt, so daß ein kleinerer Teil des Substrats flüssig wird und trotzdem das Substrat noch seine ursprüngliche Form beibehält. In ähnlicher Weise kann im Falle eines Substrats aus einem reaktiven Metall die Erwärmungstemperatur auf gerade oberhalb des Schmelzpunkts des reaktiven Metalls angehoben werden. Wenn das reaktive Metallsubstrat Aluminium ist und das pulverisierte Gemisch Flugasche enthält, werden das Substrat und die Flugasche auf eine Temperatur von 482ºC bis 621ºC (900º bis 1150ºF) erwärmt.
Um den vollständigen Ablauf der Reaktionen dieses erfindungsgemäßen Verfahrens sicherzustellen, ist es notwendig, einen innigen Kontakt zwischen dem Oxidpulver bzw. der Flugasche und dem reaktiven Metall bzw. der Legierung des Substrats herzustellen. Typischerweise hat das reaktive Metall- bzw. Legierungssubstrat einen zähen Oxidfilm auf seiner Oberfläche, der einen innigen Kontakt zwischen dem reaktiven Metall bzw. der Legierung und dem darauf aufgebrachten Pulver verhindert. Folglich muß die Oberfläche des Substrats, an welche die abriebfeste Schicht gebunden werden soll, im Sinne einer Beseitigung des Oxidfilms behandelt werden. Der Oxidfilm kann durch bekannte Verfahren entfernt werden, beispielsweise durch Behandlung in Kugelmühlen, mit Drahtbürsten, durch Sandstrahlen und dgl.. Ein inniger Kontakt zwischen dem Pulver und dem reaktiven Metall bzw. der Legierung des Substrats kann durch Kugelmühlenbehandlung des Substrats zusammen mit dem Pulver erreicht werden, wobei die abrasive Wirkung das Durchbrechen der Pulverteilchen durch den Oxidfilm auf das Substrat bewirkt und die Pulverteilchen in dem Metall- bzw. Legierungssubstrat eingebettet werden. In ähnlicher Weise kann inniger Kontakt durch plastisches Verformen des Substrats hergestellt werden, wobei der Oxidfilm aufgebrochen wird, während das Pulver in die frisch freigelegte Oberfläche eingedrückt wird. Diese Art der Herstellung des innigen Kontakts kann beispielsweise während eines Walz- oder Ziehvorgangs erfolgen.
Um sicherzustellen, daß die abriebfeste Oberflächenschicht fest an das Substrat gebunden wird, ist es wünschenswert, das Pulver und das Substrat nach dem Erwärmen einem Preßvorgang zu unterziehen, während das Substrat und das Pulver heiß sind. Im allgemeinen wird ein solcher Preßvorgang bei einem Druck von 345 bis 3.450 bar (5.000 bis 50.000 psi), vorzugsweise von 690 is 2.070 bar (10.000 bis 30.000 psi), und noch mehr vorzugsweise von 1.035 bis 1.380 bar (15.000 bis 20.000 psi) während einer zur Sicherstellung einer ausreichenden Bindungsfestigkeit genügenden Zeit durchgeführt.
Wie oben erwähnt, ist bei einer Ausführungsform nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Konstruktion vorgesehen, die eine Mehrzahl von fest miteinander verbundenen ausgedehnten reaktiven Metall- oder Legierungssubstraten besteht. Bei dieser Ausführungsform sind mindestens zwei solcher Metall- bzw. Legierungssubstrate vorgesehen und das Oxidpulver wird zwischen die benachbarten Flächen der beiden Substrate eingebracht. Die Substrate können in jeder wünschenswerten Konfiguration angeordnet werden. Beispielsweise können die Substrate zu einer geschichteten Anordnung gestapelt werden, während das Oxidpulver zwischen zwei benachbarten Metall- bzw. Legierungssubstraten eingebracht wird. Alternativ dazu können die Substrate in Form von Drähten vorliegen, und die hergestellte Konstruktion kann ein Drahtgewebe sein, wobei das Oxidpulver zumindest so auf den Drähten angeordnet ist, daß es sich an deren Kreuzungspunkten zwischen den Drähten befindet. Die Substrat- und Pulverzusammensetzungen, die Erwärmungsbedingungen, die Oberflächenbehandlung und die möglichen Preßbedingungen sind wie oben beschrieben.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines harten Schleifmaterials als Oberflächenschicht auf einem ausgedehnten Substrat vorgesehen, das vorzugsweise ein reaktives Metall- bzw. Metalllegierungssubstrat ist. Bei diesem Verfahren besteht das Oxidpulver aus einem reaktiven Metall- bzw. Metallegierungspulver zusätzlich zu einem Oxidpulver. Vorzugsweise enthält das Pulver Flugasche und ein reaktives Metall- bzw. Metalllegierungspulver. Unter den bei diesem Verfahren brauchbaren reaktiven Metall- und Metallegierungspulvern sind die gleichen Materialien, wie sie oben im Zusammenhang mit den rekativen Metall- bzw. Metallegierungssubstraten beschrieben worden sind. Die mittleren Flugascheteilchengrößen reichen vorzugsweise von 1 bis 275 Mykrometer, und die Metall- bzw. Metallegierungsteilchen sind vorzugsweise so gewählt, daß sie eine Teilchengröße ähnlich derjenigen der Flugasche haben. Die Flugasche ist vorzugsweise in einer Menge von 2 bis 30 Gewichtsprozent des Pulvers vorhanden, mehr vorzugsweise von etwa 5 bis 20 Gewichtsprozent, und höchst vorzugsweise mit etwa 15 Gewichtsprozent.
Bei diesem Verfahren wird das Pulver, das ein Oxidpulver und ein reaktives Metallpulver enthält, auf einem Bauteil aufgebracht und dann auf eine Temperatur von 677 bis 1093ºC (1250 bis 2000ºF) oder von 482 bis 538ºC (900 bis 1000ºF), um auf dem Bauteil eine harte Schleifflächenschicht herzustellen. Dieses Verfahren ist besonders bei der Herstellung einer harten Schleiffläche auf einem Werkzeug aus einem Metall oder einer Legierung brauchbar, beispielsweise auf einer Stahlfeile.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den anliegenden Unteransprüchen (2 bis 13, 15 bis 17 und 19 bis 21) angegeben.
Die folgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung verdeutlichen und sind nicht in einem den Schutzbereich der beanspruchten Erfindung einschränkenden Sinne zu verstehen.

Beispiel I

Zwei-1-Zoll-Würfel (25,4 mm-Würfel) aus einer geglühten 2024- Aluminiumlegierung wurden mit Flugasche während einer Stunde in einer Kugelmühle behandelt. Die Kugelmühlenbehandelten Aluminiumlegierungswürfel wurden dann aufeinander gesetzt und während einer Stunde auf 538ºC (1000ºF) erwärmt. Die gestapelte Anordnung wurde dann bei 1035 bar (15.000 psi) im heißen Zustand gepreßt, um einen innigen Kontakt der Flugasche und des elementaren Aluminiums sicherzustellen, und dann aus der Presse herausgenommen. Auf sämtlichen freien Oberflächen der Aluminiumlegierungswürfel war eine harte, 12 Mikrometer dicke Schicht gebildet, und die beiden Würfel waren aneinander gebunden.

Beispiel II

Fünf geglühte Platten aus Aluminium, von denen jede Platte 1,59 mm (1/16 Zoll) dick und 25,4 mm (1 Zoll) im Quadrat maß, wurden sandgestrahlt, um die Oxidschicht von ihren Oberflächen zu entfernen. Die Platten wurden gestapelt für eine Erwärmung im Ofen mit unterschiedlichen Bedingungen zwischen jedem Plattenpaar. Die ersten beiden Platten wurden direkt aufeinander gelegt, ohne daß zwischen ihnen ein Zusatzmaterial vorhanden war. Eine kleine Menge von Aluminiumpulver, das mit 5 Gewichtsprozent Flugasche gemischt war, wurde zwischen die zweite und die dritte Platte eingebracht. Ein Pulver mit 10 Gewichtsprozent Flugasche und Aluminium wurde auf die Oberflächen zwischen der dritten und vierten Aluminiumplatte eingebracht. Ein Pulver, das aus 20 Gewichtsprozent Flugasche und Aluminiumpulver bestand, wurde auf die Oberflächen zwischen der vierten und fünften Platte eingebracht. In jedem Fall war die Menge des gemischten Pulvers minimal. Die gestapelte Anordnung wurde auf 538ºC (1000ºF) erwärmt, im heißen Zustand bei 1035 bar (15.000 PSI) gepreßt und dann aus der Presse herausgenommen. Die erste und zweite Platte, zwischen denen kein Pulver eingebracht war, waren nicht miteinander verbunden. Die übrigen Platten waren aneinander gebunden, und eine mikroskopische Prüfung zeigte, daß eine dünne harte Schicht zwischen jeder der übrigen Platten der gestapelten Anordnung hergestellt war.

Beispiel III

Aluminiumlegierungsnägel und kleine Aluminiumstäbe wurden in Flugasche kugelmühlenbehandelt, in einem hitzebeständigen Behälter in Flugasche gepackt, während einer Stunde auf 538ºC (1000ºF) erwärmt und dann herausgenommen. Jedes der erhaltenen Produkte hatte darauf eine dünne, weniger als 10 Mikrometer dicke harte Oberflächenschicht.

Beispiel IV

Ein 1-Zoll-Magnesiumstab wurde in Flugasche kugelmühlenbehandelt, in eine inerte Atmosphäre gelegt, auf 538ºC (1000ºF) erwärmt, auf Raumtemperatur abkühlen lassen, und dann aus der inerten Atmosphäre herausgenommen. Der erhaltene Körper wies eine harte Oberflächenschicht mit einer Dicke von etwa 10 Mikrometer auf.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines ausgedehnten Substrats aus einem reaktiven Metall oder einer reaktiven Metallegierung mit einer daran fest gebundenen harten oder abriebfesten Schicht, wobei das Verfahren umfaßt:

Aufbringen eines Siliziumoxid und Eisenoxid enthaltenden Pulvergemisches auf mindestens eine Außenfläche eines ausgedehnten Substrats aus einem reaktiven Metall oder einer reaktiven Metallegierung, und

Erhitzen des Substrats und des Pulvergemischs auf eine Temperatur von unterhalb des Schmelzpunkts bzw. der Solidustemperatur des Substrats bis etwa dem Schmelzpunkt bzw. der Solidustemperatur des Substrats, um dadurch eine fest an das Substrat gebundene harte oder abriebfeste Schicht zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die genannte Temperatur im Bereich von etwa 14ºC (25ºF) unterhalb des Schmelzpunkts bzw. der Solidustemperatur des Substrats liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein aus der Gruppe Aluminium, Magnesium und Titan ausgewählten Metall enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine aus der Gruppe ASTM 1100, ASTM 2024 und ASTM 7075 ausgewählte Aluminiumlegierung enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein aus der Gruppe Dowmetal, ASTM FS-1 und Dowmetal J-1 ausgewählte Metallegierung enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat Ti6Al4V enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pulvergemisch Flugasche ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat und das Pulvergemisch im heißen Zustand mit einem Druck zwischen 345 und 3450 bar (5.000 und 50.000 psi) gepreßt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Druck zwischen 690 und 2070 bar (10.000 und 30.000 psi) liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Druck zwischen 1035 und 1380 bar (15.000 und 20.000 psi) liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Oxidschicht auf dem Substrat behandelt wird, um ein oxidfreies reaktives Metall bzw. eine oxidfreie reaktive Metallegierung des Substrats freizulegen, bevor das Pulvergemisch auf das freigelegte reaktive Metall bzw. die reaktive Metallegierung des Substrats aufgebracht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat ist und das Pulvergemisch eine Flugasche enthält, die Silizium- und Eisenoxide enthält, weiter eine etwaige Aluminiumoxidschicht von mindestens einer Oberfläche des Aluminiumsubstrats entfernt wird, um ein Aluminiumsubstrat mit mindestens einer aluminiumoxidfreien Außenoberfläche herzustellen, die Flugasche auf diese oxidfreie Oberfläche des Aluminiumsubstrats aufgebracht wird, das Aluminiumsubstrat mit der darauf aufgebrachten Flugasche auf eine Temperatur von 482 bis 621ºC (900 bis 1.150ºF) erhitzt wird, und das Aluminiumsubstrat und die Flugasche im heißen Zustand bei einem Druck von 1.035 bis 2.070 bar (15.000 bis 30.000 psi) gepreßt wird, um ein Aluminiumsubstrat mit einer fest daran gebundenen abriebfesten Oberflächenschicht zu erzeugen.

13. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Aluminiumoxidschicht von dem Aluminiumsubstrat entfernt wird, und die Flugasche auf die aluminiumoxidfreie Außenoberfläche des Aluminiumsubstrats durch gemeinsamen Kugelmühlendurchlauf des Aluminiumsubstrats und der Flugasche miteinander aufgebracht wird.

14. Verfahren zum Herstellen eines ausgedehnten Substrats mit einer festgebundenen Schleifoberflächenschicht, welches umfaßt:

Aufbringen eines Pulvergemischs einer Flugasche, die Silizium- und Eisenoxide enthält, und eines Pulvers aus einem reaktiven Metall oder einer reaktiven Metallegierung auf mindestens eine Außenoberfläche eines ausgedehnten Substrats, und

Erhitzen des Substrats und des Pulvergemischs auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts bzw. der Solidustemperatur des reaktiven Metalls bzw. der reaktiven Metallegierung zum Erzeugen einer fest gebundenen Schleifoberfläche auf dem Substrat.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Pulver aus reaktivem Metall bzw. einer reaktiven Metallegierung Aluminiumpulver ist und die Temperatur zwischen 482 und 538ºC (900 und 1000ºF) liegt.

16. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pulvergemisch zwischen benachbarte ausgedehnte Substrate aus einem reaktiven Metall bzw. einer reaktiven Metalllegierung eingebracht wird um eine Verbindungsstruktur mit einer harten Bindeschicht zwischen den benachbarten Substraten herzustellen.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Pulvergemisch Flugasche enthält.

18. Kompositkörper, bestehend aus einem ausgedehnten Substrat aus reaktivem Metall oder einer reaktiven Metallegierung mit einer daran fest gebundenen abriebfesten Oberflächenschicht, der nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 hergestellt ist.