DE2353324A1

DE2353324A1 - Verfahren zur herstellung einer schicht aus kubischem bornitrid, die direkt mit einer tragmasse mit hohem elastizitaetsmodul verbunden ist

Info

Publication number: DE2353324A1
Application number: DE19732353324
Authority: DE
Inventors: Minyoung Lee
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-11-01
Filing date: 1973-10-24
Publication date: 1974-05-09
Also published as: SE394107B; JPS4997806A; FR2204482B1; CH590108A5; JPS5759228B2; DE2353324C2; FR2204482A1; GB1447794A; BE806779A

Description

GENERAL ELECTBIC COMPANY
River Road 1
Schenectady - New York

U. S. Α_β -

Verfahren zur Herstellung einer Schicht aus kubischem Bornitrid, die direkt mit einer Tragmasse mit hohem Elastizitätsmodul verbunden ist.

Die Herstellung von Werkzeugeinsätzen unter hohen Temperaturen und ultrahohen Drücken aus kubischen Bornitridkristallen, die miteinander verbunden sind und mit einer gesinterten Karbidmasse verbunden sind und von dieser Masse getragen werden, wobei besondere Aluminiumlegierungen als Bindemittel verwendet werden, ist in einem Vorschlag der Anmelderin (USA Patentanmeldung Serien Nr. ±58,711) beschriften. Die Metalle zur Legierung mit dem Aluminium werden aus Nickel, Kobalt, Mangan, Eisen, Vanadium und Chrom ausgewählt. Die verwendeten Temperaturen liegen im Bereich zwischen 1300 und l600°C, und die verwendeten Drücke liegen im Bereich von 55 Kilobar.

Die Werkzeugeinsätze, die durch diese tiltrahochdruckverfahren hergestellt, werden, sind ein einzigartiger und wertvoller Beitrag zu "der Bearbeitungstechnik, es wäre jedoch sehr wünsch-

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enswert, Verfahren mit geringeren Drücken (im Verhältnis zu den ultrahohen Drücken) für die Herstellung von Verbundwerkzeugeinsätzen, die aus kubischem Bornitrid und gesintertem Karbid bestehen, zu entwickeln.

Kristalle von kubischem Bornitrid (kBN) mit abgestufter Teilchengröße werden chemisch gereinigt und in einer Metallschutzschale zusammen mit einer Masse aus gesintertem Karbid und einer Metallkonzentration angeordnet, wobei das Metall eine vorgeformte Legierung ist oder aus mehreren Metallbestandteilen besteht, die eine Legierung bilden. Die Dichte des KBN-Gehaltes wird auf mehr als 70 Vol.-$ erhöht (beispielsweise durch Vibration der Metallschale und ihres Inhalts unter leichter Druckanwendung), wonach die Metallschale in einem semi-isostatischen Drucksystem angebracht wird, das beispielsweise aus sehr feinem hexagonalem Bornitridpulver besteht. Druck in der Größenordnung von etwa 1^00 bis etwa 7000 kp/cm wird semi-isostatisch auf das System und damit auf die Metallschale und ihren Inhalt ausgeübt. Das die Metallschale und ihren Inhalt enthaltene semi-isostatische System wird dann von der Druckform in eine Heizform gebracht. Wärme (bis zu 1500°C) und Druck (beispielsweise etwa 7OOO kp/cm ) werden gleichzeitig auf das semi-isostatische System ausgeübt, um die kritische Benetzungstemperatur der Legierung (vorgeformt oder an Ort und Stelle gebildet) zu übersteigen. Die geschmolzene Legierung tritt in die Zwischenräume zwischen den KBN-Kristallen ein, um diese miteinander zu verbinden. Die KBN-Kristalle werden ferner direkt mit der gesinterten Karbidmasse verbunden, von der ein Teil zwischen KBN-Kristalle an der Grenzfläche zwischen gesintertem Karbid und KBN gepresst wird. Das semi-isostatische System wird abgekühlt, und der starke Verbundkörper aus KBN und gesintertem Karbid wird herausgenommen.

"Kritische Benetzungstemperatur" ist hier als diejenige Temperatur definiert, bei der eine Infusion einer geschmolzenen

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Metallegierung in einen reinen Durchgang von Kapillargröße stattfindet, der durch das geschmolzene Metall benetzbar ist.

Die vorliegende Erfindung geht ebenso wie ihre Ziele und Vorteile ohne weiteres aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor. In den Zeichüngen sind

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Zelle zur Bewirkung der Metallinfusion gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Gerätes zur Anwendung leichten Druckes auf die in Fig. 1 gezeigte Zelle, wobei die Zelle einer Vibration unterworfen wird, um die Dichte der Masse der KBN-Kristalle zu erhöhen,

Fig. 3 eine Schnittansicht durch ein Gerät zur Anwendung von. Druck auf die Zelle in einem semi-isostätischen System,

Fig. 4 eine Schnittansicht durch eine Graphitform zur gleichzeitigen Anwendung von Wärme und Druck auf das semiisostatische System und die darin eingeschlossene Zelle und

Fig. 5 eine Aufrissansicht eines Verbundkörpers aus KBN und gesintertem Karbid, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist.

Bei der Herstellung von Schneidwerkzeugeinsätzen gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der eine Masse von KBN-Kristallen in sieh durch ein Legierungssystem und direkt mit einer Verstärkungsmasse aus einem Stoff mit hohem Elastizitätsmodul verbunden wird, kann die KBN-Schicht mehr als 70 Vol.-% (bis etwa 80 Vol.-%) kubisches Bornitrid enthalten. Vorzugsweise ist die größte Abmessung der KBN-Kristalle weniger als 2OyAi₉. wenngleich die Größenordnung der Teilchengrößen auch höher sein kann, beispielsweise 4Q bis 100 u.

Gesintertes Karbid wird aus sinterfähigem Karbidpulver (Mischung von Karbidpulver und einem Metallpulver, das Kobald, Nickel oder Eisen sein kann) hergestellt. Der Karbidteil des Formpulvers wird vorzugsweise aus Wolfrarakarbid, Titankarbid, Tantalkarbid und Mischungen dieser Karbide ausgewählt, obwohl andere Karbide hinzugefügt werden können, um besondere Eigenschaften zu erzielen. Kobalt wird als das Sintermetall für das Karbidformpulver bevorzugt. Die Zusammensetzung des für die Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendbaren Karbidformpulvers kann etwa 75 bis 97 Gewichtsprozent' Karbid und etwa 3 bis 25 Gewichtsprozent Kobalt enthalten. Bevorzugte gesinterte Karbide sind Carboloy 883, 55A und 55B,

Bei der in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Anordnung besteht die Zelle 10 aus einer Metallschale 11 (runde Zylinderwand mit Boden) aus einem Metall, das Zirkonium, Titan, Tantal, Wolfram oder Molybdän sein kann. In der Schale 11 wird eine Scheibe 12 einer Legierung, eine Masse 13 aus KBN-Kristallen und ein dicker Stopfen Ik aus gesintertem Karbid angebracht, der eng in der Schale 11 sitzt und als ein Verschluß für die Schale wirkt. Andere Anordnungen für die Anbringung dieser Bestandteile in der Schale 11 können jedoch auch angewandt werden.

Die KBN-Kristalle sollten abgestufte Teilchengröße haben, so daß die Masse der KBN-Kristalle sehr kleine, mittelgroße und große Kristalle enthält, wobei der gesamte Größenbereich der Teilchen vorzugsweise von weniger als 1 /vl bis etwa 20^ reicht. Die abgestuften KBN-Teilchen sollten etwa 60 bis 80 VoI,-% von Teilchen am größeren Ende des Größenbereichs, etwa 5 bis 10 Gewichtsprozent von Teilchen im mittleren Bereich und den Rest von sehr kleinen Teilchen umfassen. Bevor die KBN-Teilchen in die Schale 11 eingeführt werden, werden sie chemisch gereinigt, um jegliches B₂^S ^von i^ßrer Oberfläche zu entfernen. Der Zweck der Verwendung von KBN-Kristallen mit abgestufter Teilchengröße wird durch die in Fig. 2 gezeigte Anordnung ver-

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ansehaulicht. Die Zelle IQ wird auf einem Rütteltisch 16 angebracht und dort während der Vibration der Zelle IQ unter leichtem Druck (etwa 3j5 kp/cm -) gehalten, um eine Neuanordnung der KBN-Teilchen zu fördern, durch die Zwischenräume ausgefüllt werden und. der Hohlraumgehalt herabgesetzt wird, um die Dichte der KBN-Schieht auf mehr als 70 % zu erhöhen.

Nachdem der erforderliche Grad der Konsolidierung (der durch unabhängige Prüfung der gleichen abgestuften KBN-Mischung in einer Matrize mit festen Abmessungen bestimmt wird) erreicht ist, wird die Zelle 10 in dem zylindrischen Kern einer Druckform 20 angebracht, der von einer Masse 21 aus sehr feinen Teilchen von hexagonalem Bornitrid (mit einer Siebdurchgangsgröße von etwa l60 Maschen/cm) umgeben ist. Diese Masse aus feinen Teilchen bildet ein annähernd isostatisches System für die Ausübung von Drück auf die Zelle 10, wodurch die Form und Dichte des Inhalts der Schale 11 bestimmt wird. Danach wird diese Form und Dichte zumindest in Ebenen beibehalten, die durch die Schale 11 parallel zu der Grenzfläche zwischen der Metallschicht und der KBN-Schicht verlaufen, während der (unten beschriebenen) Übertragung des druckübertragenden Mediums und der Schale 11 zu dem Gerät zur gleichzeitigen Anwendung von Druck und Wärme auf diese. Die Druckform 20 (Ring 22 und Druckkolben 23, 23a) können aus Werkzeugstahl bestehen und erforderlichenfalls kann der Ring 22 mit einer Buchse 22a aus gesintertem Karbid versehen sein, wie es in der Zeichnung gezeigt ist, um die Anwendung von Drücken bis zu einer Höhe von 7000 kp/cm zu gestatten. Nachdem das semiisostatische System in dem durch den Kolben 23, die Buchse 22a und den Kolben 23a umgrenzten Raum untergebracht ist, wird Druck in der Größenordnung zwischen etwa 1400 und etwa 7000 kp/cm auf das semi-isostatische System ausgeübt, indem die Kolben in bekannter Weise betätigt werden, bis der ausgeübte Druck stabilisiert wird, wie es in der herkömmlichen Pulververdichtungstechnik üblich ist.

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Die Art des hexagonalen Bornitrids ist derart, daß die feinen Teilchen unter dem in einer Achsrichtung ausgeübten Druck übereinander gleiten und sich in annähernd hydrostatischer i, Weise zueinander verlagern, um einen Druck über die gesamte Fläche der Zelle 10 auszuüben. Es wird angenommen, daß der ausgeübte Druck im wesentlichen unverringert auf die Zelle 10 übertragen wird. Der Hauptzweck dieser Druckausübung besteht darin, eine Konsolidierung hervorzurufen, durch die alle eventuell bestehenden Oxyd-,Borid- oder Nitridablagerungen auf den Oberflächen (Kristalle, Metalle und gesintertes Karbid) innerhalb der Zelle 10 aufgebrochen werden. Auf diese Weise werden reine Flächen freigelegt, zu denen die geschmolzene Legierung (in dem weiter unten beschreibenen nachfolgenden Schritt) Zugang haben, um die erforderliche Benetzungswirkung zu erzielen. Gleichzeitig verringert die durch Druck herbeigeführte Konsolidierung (ebenso wie die Vibration) die Größe der Hohlräume, um das Vorhandensein von Durchgängen in Kapillargröße in der KBN-Masse auf ein Höchstmaß zu erhöhen. Zusätzlich zur Bildung der erforderlichen Kapillarkraft zur Infusion des aus der Legierung bestehenden Bindemittels verringert die Herabsetzung des Hohlraumvolumens den Endmetallgehalt der KBN-Masse und schafft mehr nebeneinanderliegende Kristallflächen, die zur wirksamen Verbindung durch die einfließende Metallschicht in geeigneter Weise angeordnet sind.

Nach der Beendigung der oben genannten semi-isostatischen Druckausübung wird einer der Kolben 23, 23a zurückgezogen und das konsolidierte semi-isostatische System 21 wird aus der Buchse 22a in ein Loch mit gleichem Durchmesser in einer Graphitform 30 gepresst, so daß. das übertragene semi-isostatische System 21 nunmehr innerhalb der Wand des Loches 3i zwischen Graphitkolben 32, 32a enthalten ist. Die Graphitform ist mit einem Thermoelement 33 für die Anzeige der Temperatur versehen, die auf das semi-isostatische System 21 ausgeübt wird. Die Form 30 mit dem in ihr enthaltenen semi-isostatischen System 21 wird in einen herkömmlichen Wärmedruckofen (nicht

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gezeigt) eingeführt, und während die Kolben 32, 32a einen
einachsigen Druck im Bereich zwischen 35 kp/cm bis etwa
700 kp/ctn'" (oder bis kurz unter die Grenze der Druckaufnahmefähigkeit der Form 3ö) auf das System 21 ausüben, wird seine Temperatur auf die kritische Benetzungstemperatur der Legierung erhöht. Vorzugsweise hat die Legierung eine kritische Benetzungstemperatur unter etwa 1300⁰C, um nicht die Zu-*
samraensetzung des gesinterten Karbidblockes Ik in drastischer Weise zu ändern, indem zu viel Sintermetall (zum Beispiel
Kobalt.) von dem gesinterten Karbidblock in die Kristallmasse 13 ausgeschwitzt wird oder von der entgegengesetzten Fläche des gesinterten Karbidblockes Ik verloren geht.

Unter dieser kombinierten Anwendung von Wärme und Druck wird ein Teil des.erweichten, gesinterten Karbides nach oben zwischen die-KBN-Kristalie an der Grenzfläche gedrückt und gleichzeitig- entsteht eine Infusion des geschmolzenen Legierungssystems in die- Masse 13 der KBN-Kristalle durch Kapillarwirkung, wenn- die interkristallinen Hohlräume genügend rein und klein sind. Das Legierungssystem muß geringfügig mit
den KBN-Kristallen reagieren, mit denen es in Berührung gebracht wird. An der Grenzfläche zwischen der Legierungskonzentration und der KBN-Masse erzeugt diese Reaktion Boride und/oder Nitride, die naturgemäß feuerfest sind, (hohe Schmelztemperatur). Bei Beginn der Schmelzung bricht der ausgeübte Druck die an der Grenzfläche vorhandene feuerfeste Schicht
auf, wodurch das Kapillardurchgangssystem für die geschmolzene Legierung freigelegt wird, woraufhin die Infusion durch Kapillarwirkung stattfinden kann, wenn die kritische Benetzungstemperatur der Legierung erreicht worden ist. Versuche haben gezeigt, daß die Infusion der KBN-Masse durch die Legierung nur dann stattfindet,·' wenn auf das System 21 Druck ausgeübt wird, wenn die Legierungsmasse in geschmolzenen Zustand gebracht worden ist und die Erhitzung auf die kritische Benetzungstemperatur stattfindet. Ferner sollte der Druck während
des Abkühlens des Systems aufrechterhalten werden, um die Abmessungen des Verbundkörpers stabil zu halten.

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Während dieses Schrittes ist es von besonderer Bedeutung, daß die Stabilität der Abmessungen der Zelle IO in dem semiisostatischen System 21 sowohl in der Form 20 als auch in .der Graphitform 30 hergestellt und aufrechterhalten worden ist. Solange die konstanten Abmessungen der Masse in der Schale 11 aufrechterhalten wird, wenn die Legierung in flüssigen Zustand gebracht wird, ist diese Flüssigkeit nicht in der Lage, zwischen der Masse 13 und der Schale 11 hindurchzugehen und in nennenswertem Umfang zu entweichen, sondern wird durch die Masse 13 der KBN-Kristalle gepresst.

Bei der Erhitzung sollte die kritische Benetzungstemperatur schnell erreicht werden und für etwa eine Minute aufrechterhalten werden. Die Aufrechterhaltung dieser Temperatur für längere Zeiträume (zum Beispiel in der Größenordnung von 30 bis hO Minuten) kann angewandt werden, um die Bildung von Boriden und Nitriden in der mit Metall durchsetzten KBN-Masse zu erhöhen.

Obwohl schliesslich Wärme und Druck gleichzeitig auf das System 21 ausgeübt werden müssen, kann es je nach der verwendeten Legierung von Vorteil sein, die Wärme vor der Ausübung des Druckes zuzuführen oder vor Einleitung des Erhitzungsvorganges schon Druck auszuüben.

Nach der Beendigung der gleichzeitigen Ausübung von Wärme und Druck wild die Zelle 10 aus der Anlage herausgenommen und gereinigt. Der Verbundkörper 36, der aus einer Unterlage 14a aus gesintertem Karbid und einer direkt damit verbundenen. Schicht 13a aus KBN (und durch Infusion darin enthaltener Legierung) besteht, wird aus der Zelle 10 herausgekommen.

Das Legierungsmetall 12 braucht nicht eine vorgeformte Legierung zu sein, sondern kann aus gesonderten Scheiben (oder einer Pulvermischung) der Metalle bestehen, die an Ort und Stelle legiert werden sollen. Kriterien für die Auswahl des

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zu verwendenden Legierungssystems sind in einem weiteren Vorschlag der Anmelderin (USA-Patentanmeldung SN 158,991) dargelegt. Wie in diesem Vorschlag erwähnt, rauB die Legierung eine Schmelztemperatur unter etwa 1500⁰C haben, sollte ferner in der Lage sein, jeglichen dünnen BgO^-Glasfilm zu verringern, mit dem die KBN-Kristalle beschichtet sein könnten, und sollte ein begrenztes Reaktionsvermögen mit KBN haben. Bei der praktischen Erprobung der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, daß der Wärmeausdehungskoeffizient der gewählten Legierung möglichst genau mit demjenigen des besonderen Verstärkungsstoffes mit hohem Elastizitätsmodul übereinstimmen sollte, um innere Spannungen so gering wie möglich zu halten, die während der Herstellung in dem Verbundkörper 36 entstehen. Derartige Spannungen wurden zum Bruch oder zur Schichtentrennung in dem Verbundkörper führen, der dadurch zu einem nutzlosen Gebilde würde. Ferner darf die durch Infusion in die KBN-Masse gelangte Legierung, die ein komplexes Metall-Keramiksystem bildet, das (zusätzlich zu den Legierungsbestandteilen) einiges Bor, Stickstoff und Sauerstoff enthält, nicht brüchig sein. Brüchigkeit in dem Verbindungssystem _t < wird während Bearbeitungsversuchen ohne weiteres offensichtlich, da Teilchen des KBN das Bestreben haben, aus dem Verbundkörper herauszubrechen. Dies ist nicht der Fall, wenn die durch , Infusion in die KBN-Masse gelangte Legierung richtig ausgewählt ist. Die bisher entdeckten erfolgreichsten Legierungssysteme sind Aluminiumlegierungen, aber selbst einige Aluminiumlegierungen haben die Neigung zur Brüchigkeit. Einige der erfolgreichsten Legierungssysteme sind die folgenden: NiAl (80-90 Gewichtsprozent Ni); CoAl (weniger als 20 Gewichtsprozent Co); FeAl (weniger als 15 Gewichtsprozent Fe) und NiCr (weniger als 25 Gewichtsprozent Cr).

Im Falle einer vorgeformten Legierung sollte die Menge der Legierung zwischen etwa 30 und etwa 60 Vol.-% der KBN-Masse betragen. Wenn kombinierte Metalle.(vorzugsweise mehrere Folienschichten) verwendet werden, sollte das Gesamtvolumen wie oben sein, und die einzelnen Mengen von der gewünschten

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Legierung abhängen, zum Beispiel 80 Ni 20 Al. Im wesentlichen der gesamte Hohlraum (20 bis 30 Volumenprozent) der KBN-Masse wird mit der durch Infusion in sie hineingelangende Legierung angefüllt. Die Herstellungder erforderlichen Teilchengröße für die KBN-Kristalle wird durch das Strahlmahlen größerer KBN-Körner erleichtert. Die chemische Reinigung der KBN-Körner kann durch Erwärmung (900°C, 1 Stunde) in Ammoniak erzielt werden. Das Strahlmahlen der Kristalle ergibt Teilchen mit größerer Festigkeit durch Ausscheidung von Kristallschwächen. Die auf diese Weise gebildeten festen KBN-Kristalle ergeben zusammen mit dem nicht brüchigen, sie umgebenden Polster aus der durch Infusion in die KBN-Masse gelangten Legierung und durch die Verstärkung durch die Schicht mit sehr hohem Elastizitätsmodul einen Verbundkörper mit sehr hoher Stoßfestigkeit. , .

Siliciumnitridpulver (oder ein anderer fein verteilter stabiler Stoff, der unter den Behandlungsbedingungen ungesintert bleibt), kann an Stelle des heiagonalen Bornitrids zur Erzeugung der semi- oder quasi-isostatischen Umgebung für die Zelle 10 verwendet werden.

Der Ausdruck "hoch" hinsichtlich des Stoffes mit hohem Elastizitätsmodul bedeutet einen Wert über etwa k 200 000 kp/cm .

Für die einleitende semi-isostatische Druckausübung wurde ein

Druck im Bereich zwischen 1400 und 70Of) kp/cm wegen der anerkannten Begrenzungen der Festigkeit von einfachen Kolben-Zylinderdruckapparaten angegeben. Dieser besondere Schritt der Druckausübung ist jedoch nicht auf 7000 kp/cm begrenzt und es können auch höhere Drücke innerhalb des meta-stabilen Bereichs des kubischen Bornitrids verwendet werden. Im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung erfordert die Erfindung in der eingangs erwähnten Anmeldung der Anmelderin die Verwendung von Drücken im stabilen Bereich des kubischen Bornitrids. Die vorliegende Erfindung liegt dagegen in der Entdeckung einer Reihe von Schritten, die in verhältnismäßig unkomplizierten

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und nicht teueren Geräten durchgeführt werden können, um einen hochwertigen, stoßfesten Verbundkörper aus KBN und gesintertem Karbid zu erzeugen.

Beispiel 1 ,

KBN-PuIver wurde durch Strahlmahlen so behandelt, daß es einen großen Bereich von Teilchengrößen zwischen weniger als i M bis 20 yu hatte. Vier einander abwechselnde Schichten von 0,15 mm dicken Aluminiumscheiben und 0,025 mm dicken Nickelscheiben wurden im Boden einer Zirkoniumschale (Wanddicke 0,05 mm, innerer Durchmesser 3,89 mn) angebracht. Etwa 200 Milligramm des KBN-PuIvers wurden auf diese Metallmasse·gebracht, und eine Scheibe aus gesintertem Karbid (94 Gewichtsprozent WC, 6 Gewichtsprozent Co, 3,175 mm dick,) wurde auf das Pulver aufgesetzt, wodurch die Zirkoniumschale verschlossen wurde. Die gesamte Anordnung wurde etwa eine Minute lang bei gemäßigter Amplitude mit einer Frequenz von etwa 36O Hertz unter einem Druck von etwa 2,45 kp/cm vibriert. Die Anordnung wurde sodann mit hexagonalem Bornitridpulver (Fig. 3 ) umgeben und unter einem Druck von 2450 kp/cm kaltgepresst. Danach wurde.die gepresste Anordnung in eine Graphitform (Fig. 4) übertragen und in einem Heißpreßofen auf 125ö°C erhitzt. Die Erhitzung wurde in einer StickstoffUmgebung nach anfänglicher Evakuierung durchgeführt. Nachdem die kritische Benetzungstemperatur von 125O^GC 18 Minuten lang aufrechterhalten worden ist, wurde ein Druck von 525 kp/em auf die Charge ausgeübt, und die Erhitzung wurde mit dem ausgeübten Druck 2 Minuten lang fortgesetzt. Während des Abkühlens wurde die Anordnung unter Druck gehalten. Der erhaltene Verbundkörper hatte eine 1,27 mm dicke Schicht aus untereinander verbundenen KBN-Kristallen, die mit der Fläche der Karbidscheibe verbunden war. Ein Schneidwerkzeug (5,969 mm im Quadrat) wurde aus dem Verbundkörper gebildet und bei einem Drehvorgang an einer Nickel-Superlegierung (inco 718) verwendet. Nach 2 Minuten des Drehvorgänges bei einer Schneidgeschwindigkeit von 60,96 m/Minute wurde ein Flankenverschleiß von nur 0,2794mm gemessen. A 0 9 8 1 9 / 0 8 0 4

- 12 Beispiel 2

Eine gegossene Legierungsscheibe (88 Gewichtsprozent Al, 12 Gewichtsprozent Ni) mit einer Dicke von 0,635 mm wurde im Boden einer Molybdänschale (gleiche Abmessungen wie bei der Schale in Beispiel l) mit einer dünnen Zirkoniumauskleidung darin angebracht. Eine Schicht einer abgestuften Mischung (120 Milligramm) von KBN-PuIver (65 Gewichtsprozent 0-2 jd Teilchengröße und 75 Gewichtsprozent 0-20 u Teilchengröße) wurde auf dem Metall angebracht. Eine Scheibe aus gesintertem Karbid (wie in Beispiel 1 beschreiben) wurde dazu verwendet, das KBN-Pulver zu bedecken und die Metallschale zu verschließen. Die Anordnung wurde gerüttelt, in hexagonalem Bornitrid eingesetzt und wie in Beispiel 1 kaltgepresst. Die gepresste Anordnung wurde unter Aufrechterhaltung ihrer seitlichen Abmessungen in eine Graphitform gebracht und in einer Stickstoffatmosphäre auf 1150°C erhitzt. Die Anordnung wurde auf dieser kritischen Benetzungstemperatur 35 Minuten lang gehalten. Die Anordnung wurde während des gesamten ErwärmungsVorganges und während der Abkühlung unter

einem Druck von 560 kp/cm gehalten. Ein aus dem erhaltenen Verbundkörper hergestelltes Werkzeug (5»969 mm im Quadrat) wurde zur Bearbeitung einer Hartgußeisenlegierung (Rockwell-Härte 68) bei einer Geschwindigkeit von 9-1» 4A m/Minute mit einer Schnittiefe von 0,0635 mm verwendet. Eine gesamte Schneidzeit von 21 Minuten unter diesen schweren Bedingungen ergab einen Flankenverschleiß von lediglich 0,45 mm.

Beispiel 3

Eine Metallegierungsscheibe (88 Gewichtsprozent Al, 12 Gewichtsprozent Ni) mit einer Dicke von 0,508 mm wurde im Boden der gleichen Metallschalenanordnung angebracht, wie sie in Beispiel 2 verwendet wurde. Eine Schicht (l70 Milligramm) einer abgestuften Mischung aus KBN-Pulver (78 Gewichtsprozent mit mittlerer Teilchengröße 40 yft, 12 Gewichtsprozent mit

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O - l6 /ti Teilchengröße und 10 Gewichtsprozent mit 0 - 2/u Teilchengröße ) wurde über die Legierungsscheibe verteilt. Eine Scheibe aus gesintertem Karbid (wie im Beispiel 1 beschreiben) wurde über dem KBN-PuIver angebracht, wodurch die Metallschale verschlossen wurde» Die Anordnung wurde vibriert und in hexagonalem Bornitrid wie in Beispiel 1 eingesetzt und dann unter einem Druck von etwa 3500 kp/cm kaltgepresst. Die kaltgepresste Anordnung wurde dann wie in den vorangehenden Beispielen in eine Graphitform übertragen und für 40 Minuten auf 125O⁰C erwärmt. Ein Druck von etwa 700 kp/cm' wurde während das gesamten Erwärmungs Vorganges und während cer Abkühlung auf der Anordnung aufrechterhalten. Ein aus dem erhaltenen Verbundkörper gebildetes Werkzeug (5,969 mm im Quadrat) wurde dazu verwendet, eine Hartgußeisenlegierung bei einer Oberflächengeschwindigkeit von 60,96 m/Minute und einer Schneidtiefe von 0,127 mm zu bearbeiten. Nach 4 Minuten ergab sich ein Plankenverschleiß von 0,25 mm. Das Verbundwerkzeug wurde ferner dazu verwendet, eine Superieglerung (Rene 95) bei einer Oberflächengeschwindigkeit von 121,92m/ Minute und einer Schnittiefe von 0,2032 mm zu schneiden. Nach 1 Minute und 32 Sekunden des Schneidvorganges wurde ein Plankenverschleiß von nur 0,33 mm festgestellt.

Beispiel 4

Eine 0,635 min dicke Scheibe aus gegossener Legierung (90 Gewichtsprozent Al, 10 Gewichtsprozent Ni) wurde im Boden einer Zirkoniumsehale (0,05 mm dicke Wand, 14,27 mm Innendurchmesser) angebracht. Eine Schicht (380 Milligramm) einer Mischung von in ihrer Größe abgestuften KBN-Kristallen (73 Gewichtsprozent 5-7/u; 9 Gewichtsprozent 2-3,5/1 und 18 Gewichtsprozent 0-2 ja) wurde über der Oberseite der Legierungsscheibe verteilt. Eine Scheibe aus gesintertem Karbid (94 Gewichtsprozent WC, 6 Gewichtsprozent Co, Dicke 3,42 mm) wurde über dem KBN-PuIver angebracht und verschloß die Metallschale, Die Anordnung wurde gerüttelt, in hexagonalem Bornitrid eingesetzt und kaltgepresst, wie in Beispiell.

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Die gepresste Anordnung wurde in eine Graphitform wie in den vorhergehenden Beispielen übertragen, auf die kritische Benetzungstemperatur (1250 c) erhitzt und auf dieser Temperatur eine halbe Stunde lang gehalten. Ein Druck von etwa 700 kp/cm wurde während dieses Erwärmens und während der anschließenden Abkühlung aufrechterhalten. Ein Schneidwerkzeug (9,525 mm im Quadrat) wurde aus dem erhaltenen Verbundkörper geformt und einem Bearbeitungsvorgang unterworfen, der die ausserordentlich wirksame Stoßfestigkeit der Verbundkonstruktion beweist, die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt wird. Das Werkzeug wurde für den Entzunderungsvorgang auf einer Ilartgußeisenlegierungswalze verwendet. Die verwendete Schneidkante hielt über eine halbe Stunde lang.

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Claims

i· Verfahren zur Herstellung eines Abrieb-Verbundkörpers, dadurch, gekennzeichnet, daß

a) in einem Metallschutzbehälter in einander berührenden Schichten eine Masse von reinem kubischem Bornitridkristallen, eine Metallmenge zur Bildung einer Legierung mit einer kritischen Temperatur von weniger als etwa 1500⁰C zur Benetzung von Kapillardurchgängen in der Masse des kubischen Bornitrides und ein Körper aus einem Stoff mit einem Elastizitätsmodul von mindestens

etwa 4 200 000 kp/cm angebracht werden,

b) der Metallbehälter und sein Inhalt in einem druckübertragenden Medium untergebracht werden,

c) semi-isostatischer Druck auf den Metallbehälter und seinen

Inhalt über das druckübertragende Medium ausgeübt wird,

^r 2

wobei der Druck größer ist, als etwa 1^00 kp/cm und geringer, als der kubische Bornitrid- stabile Druck bei den Betriebstemperaturen,

d) die Abmessungen des Metallbehälters und seines Inhalts zumindest in Ebenen durch den Metallbehälter stabilisiert werden, die parallel zu der Grenzfläche zwischen der Metallschicht und der Schicht aus kubischem Bornitrid durch den Metallbehälter verlaufen,

e) gleichzeitig der Metallbehälter und sein Inhalt einem Druck und einer Temperatur über eine genügend lange Zeit ausgesetzt wird, um eine Infusion der Legierung in die Masse der kubischen Bornitridkristalle zu gestatten, wobei der Druck mindestens etwa 35 kp/cm und weniger als der kubische Bornitrid- stabile Druck bei den Betriebstemperaturen ist und die Erwärmung ausreicht, um die kritische Benetzungstemperatur der Legierung zu übersteigen,

f) der Druck auf dem Metallbehälter und seinen Inhalt während der Abkühlung aufrechterhalten wird und

g) der sich daraus ergebende Abrieb-Verbundkörper gewonnen wird, bei dem eine Schicht der durch Metall miteinander verbjifl(Jenen,kubischen Bornitridkristalle direkt

mit dem Körper aus dem Stoff mit hohem Elastizitätsmodul verbunden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das druckübertragende Medium ein Stoff in Teilchenform ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einleitende Druckausübung in einem ersten Gerät durchgeführt wird, und die gleichzeitige Ausübung von Druck und Temperatur in einem zweiten Gerät durchgeführt werien.
k. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausübung in dem zweiten Gerät der gleichzeitigen Ausübung von Druck und Temperatur vorangeht.
5. Verfahren nach. Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung in dem zweiten Gerät der· gleichzeitigen Anwendung van Druck und Temperatur vorangeht,
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erhaltene Verbundkörper aus einer Schicht aus kubischen Bornitridkristallen besteht, die untereinander durch eine Aluminiumlegierung verbunden sind, wobei diese Schicht direkt mit einer Scheibe aus gesintertem Karbid verbunden ist.
7. Verfahren nach Anspruch-1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmenge im Boden des Behälters angeordnet wird und die Masse der kubischen Bornitridkristalle zwischen dieser Metallmenge und dem Körper des Stoffes mit holiem Elastizitätsmodul angeordnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse der kubischen Bornitridkristalle größenabgestuft ist, wobei die Kristallgrößen von weniger als ein /i bis mehr als 40 Ax betragen.

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9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kuhische Bornitridgehalt der Schicht aus kuhischem Bornitrid mehr als 70 YoT.-fo beträgt.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne, während der die gteichzeitige Ausübung von Druck und Temperatur durchgeführt wird, mehr als 1 Minute

beträgt. ■ .

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