NO126730B - - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår titannitrid-titancarbidmaterialer bundet

med nikkel-molybden.

Det er en omfattende litteratur angående skjæreverktøy av metallbundet nitrid-carbid, som f.eks. U.S. patenter 1895959 og nr. 1996220, og mer nylig nr. 3<1>+09<l>+l6 og nr. 3^09^19. Ingen av disse publikasjoner angir imidlertid et materiale av titannitrid-titancarbid bundet med en nikkel-molybdenblanding.

Det har ifolge oppfinnelsen vist seg at titannitrid og titancarbid bundet med blandinger av nikkel og molybden ved varmpressing danner tette, finkornede gjenstander som har en meget hoy fasthet og er harde og motstandsdyktige overfor slitasje, skraping, oxydasjon og korrosjon.

Oppfinnelsen'angår et ildfast materiale som angitt i patent-krav 1's overbegrep og som er særpreget ved at det består av H9,5-

9<*>+ volumprosent titannitrid, 5-Lt-9,5 volumprosent titancarbid og 1-

15 volumprosent metall bestående i det vesentlige av 20-50 volumprosent nikkel og 50-8o volumprosent molybden, idet materialet har en tetthet over 99% av den. teoretiske og en gjennomsnittlig kornstorrelse under 2/im.

Oppfinnelsen angår.også en fremgangsmåte ved fremstilling av slike ildfaste materialer, og fremganjgsmåten er særpreget ved at en homogen blanding av k$.5-9^ volumprosent titannitrid, 5-^9,5 volumprosent titancarbid og 1-15 volumprosent metall bestående i det vesentlige av 20-50 volumprosent nikkel og 50-80 volumprosent molybden oppvarmes til en temperatur av 1600-1900°C, og at blandingen ved denne temperatur presses ved et trykk av 70,3-351,5 kg/cm o, hvorpå det dannede presstykke hurtig avkjoles.

De fremstilte tette materialer er nyttige for fremstilling av gjenstander som er motstandsdyktige overfor slitasje og korrosjon og som har en usedvanlig hoy fasthet og hardhet og som kan bearbeides til tiltalende smykkegjenstander.

Titannitrid og titancarbid som er egnet for anvendelse ved fremstilling av det ildfaste materiale ifolge oppfinnelsen, bor ha en gjennomsnittlig partikkelstorrelse av under 1^m, fortrinnsvis under o,5 m.

Et egnet titannitrid er tilgjengelig i handelen i form av et

-325 mesh pulver eller det kan fremstilles på vanlige måter som beskrevet i U.S. patenter nr. 3<l>f09<1>+l6 og nr. 3<1>f09<L>+19 eller i "Nitrides", kapittel VIII, i boken "High Temperature Technology" av J.M. Blocher Jr., John Wiley & Sons, N.Y. 1956. Et egnet titancarbid er tilgjengelig i handelen i form av et -325 mesh pulver eller det kan fremstilles på vanlige velkjente måter.

Dersom titannitridet eller titancaibidet har en for stor partikkelstorrelse, kan det findeles ved ganske enkelt å male titannitridet inntil den onskede partikkelstorrelse er blitt oppnådd.

Metallpulvere som er egnede for anvendelse ifolge oppfinnelsen, bor ha en partikkelstorrelse under 10^m, fortrinnsvis under 2/Lim.

. Et egnet nikkelpulver er tilgjengelig i handelen eller det

kan fremstilles på vanlige velkjente måter.

Et egnet molybdenpulver er tilgjengelig i handelen i form

av et -325 mesh pulver eller det kan fremstilles på vanlige velkjente måter. ,

De fire bestanddeler bor fortrinnsvis være helt rene, og det er spesielt viktig åt de er i det vesentlige frie for forurensninger, som oxygen, som har skadelige virkninger på de faste opp-løsninger som dannes ved foreliggende fremgangsmåte. Mindre mengder av forurensninger som vanligvis taes opp ved malingen eller blandingen av bestanddelene, har liten eller ingen skadelig virkning på de ildfaste materialer. Små mengder lavtsmeltende metaller, som kobolt eller jern, eller hoyeresmeltende metaller, som wolfram,

som vanligvis forekommer i måleutstyr eller -media, kan således tolereres på samme måte som små mengder av ildfaste materialer,

som carbider, nitrider eller oxyder, som forekommer under den ovenfor angitte håndtering.

Som angitt ovenfor anvendes titannitridet i materialene ifolge oppfinnelsen i en mengde av<*>+9,5-9^ volumprosent. Det anvendes fortrinnsvis i en mengde av 60-85 volumprosent da slike mengder gir et ildfast materiale med en meget onskelig kombinasjon av egenskaper og utseende. Dersom titannitrid anvendes i en mengde av 60-85 volumprosent, foretrekkes det å anvende 12-30 volumprosent titancarbid og 3-10 volumprosent metall.

Det antaes at molybden trenger inn i titancarbidgitteret, og det foretrekkes at et stort overskudd av metall utover den mengde som det antaes kan taes opp i titancarbidgitteret, ikke er tilstede. Dette er begrunnet med at et stort overskudd av metall ned-setter de ildfaste materialers motstandsdyktighet- overfor korr-sjon , og skraping og hardhet. Det foretrekkes derfor at det i de foreliggende materialer ikke er tilstede mer. enn 1 volumdel metall pr. volumdel titancarbid.

Blandingene av pulverbestanddelene fremstilles på lignende måte som beskrevet i U.S. patent nr.. 3<1>+5l791. Det er gunstig homogent å blande titannitrid, titancarbid, nikkel og.molybden av den ovenfor angitte type, f.eks. ved kulemolling, i inntil 120 timer eller derover. De blandede pulvere blir derefter varmpresset ved en temperatur av 1650-1900°C, fortrinnsvis 1750-l850°C, og et trykk av 70,3-351,5 kg/cm 2, fulgt av en hurtig avkjoling av press-stykket på den i U.S. patent nr. 3^51791 beskrevne måte.

De varmpressede,. ildfaste presstykker er særpreget ved at de har en porositet under 1$, som gir seg tilkjenne ved en tetthet, av minst 99% av den teoretiske, og en gjennomsnittlig kornstorrelse av under 2/im. Som angitt ovenfor inneholder d.e foretrukne materialer ifolge oppfinnelsen 60-85 volumprosent titannitrid, 12-30 volumprosent titancarbid og 3-10 volumprosent metall og har en gjennomsnittlig kornstorrelse av under 1 ym. De foreliggende materialers kjemiske innhold og fysikalske egenskaper kan bestemmes ved anvendelse av velkjente metoder som detaljert beskrevet i U.S. patenter nr. 3^09^16, nr. 3<1>+09<1>+19, nr. 3^13392 og nr. 3^51791 som det er vist til ovenfor.

De ildfaste materialer- ifolge oppfinnelsen foreligger som faste opplbsninger med en Rockwell A hardhet av 92- ca. 9^ og en boyningshastighet fra ca. l*+06l til nesten 22850 kg/cm . Denne kombinasjon av fasthet og hardhet sammen med materialenes lave porositet, fine kornstorrelse og ildfasthet gjor materi?lene ifolge oppfinnelsen nyttige for anvendelser hvor det er nodvendig med motstandsdyktighet overfor korrosjon, oxydasjon, skraping og slitasje. De er spesielt nyttige for skjæring og dreining av metaller. Des tuten gjor deres tydelige farve kombinert med deres motstandsdyktighet overfor skraping og riss dem onskelige for anvendelse i smykkegjenstander, som urkasser.

I eksemplene er alle deler og prosenter basert på vekt der san intet annet er angitt.

Eksempel 1

Dette er et eksempel på et materiale innenoldende 65 volumprosent titannitrid, 30 volumprosent titancarbid, 2,5 volumprosent metallisk molybden og 2,5 volumprosent metallisk nikkel.

Det anvendte titannitrid var av kvalitet -325 mesh og hadde

et spesifikt overflateareal av 1,1 m 2/g bestemt ved ni.trogenadsorp-sjon.. ht elektronmikrofotografi av titannitridet viste at det besto av tette, uregelmessige partikler med en storrelse av 1- ca. lOMm, idet hoveddelen av partiklene hadde en størrelse av 1 - 2 um. Carboninnholdet var 0,33% og oxygeninnholdet 0,87%. En kjemisk analyse viste at det inneholdt 76^19 % titan og 18,71 % nitrogen.

Det anvendte titancarbidpulver hadde en gjennomsnittlig partikkelstorrelse av 0,6pm målt med en Fisher Sub-Sieve Sizer og et spesifikt overflateareal av ca. 10 m 2/g bestemt ved nitrogenadsorpsjon. Et elektronmikrofotografi av en torrmontert prove viste at titancarbidkornene hadde en diameter av 0,2-3^irn og at de av og til var samlet i form av lese aggregater. Titaninnholdet var ca. 77,8%, det samlede carboninnhold ca. 18,8 %, innholdet av fritt carbon ca. 0,07% og oxygeninnholdet ca. 0,8-1,6%. En analyse ved emisjons-spektroskopi viste at titan var hovedbestanddelen og dessuten at del inneholdt 0,5-2 % molybden, 0,5 - 2 % wolfram, 0,5 - 2 % nikkel, 500-2500 ppm (deler pr. million) aluminium, 200-1000 ppm kobolt, 300-1500 ppm jern, 300-1500 ppm niob, 200-1000 ppm krom, 200-

1000 ppm silicium, 100-500 ppm zirkonium, 50-250 ppm kalsium, 50-250 ppm mangan og 5-25 ppm magnesium.

Det anvendte molybdenpulver var av i handelen tilgjengelig standard kvalitet med en kornstorrelse av under 325 mesh, et spesifikt overflateareal bestemt ved nitrogenadsorpsjon av 0,29 m /g og en gjennomsnittlig krystallstorrelse av 35<*>+ nm bestemt ved rontgendiffraksjon med linjeutvidelse. Et elektronmikrofotografi viste at molybdenpulveret besto av korn med en diameter av 0,5-

3^m pakket sammen i form av åpne aggregater. En kjemisk analyse av pulveret viste at det inneholdt 052 % ozygen og ingen forurensninger i en mengde over 500 ppm.

Det anvendte nikkel var et i handelen tilgjengelig findelt pulver inneholdende 0,15 % carbon, 0,07 % oxygen og under 300 ppm jern. Nikkelpulverets spesifikke overf lateareal var 0,^+8 rn 2/g , og dets rontgendiffråksjonsmonster viste bare nikkel som ved linjeutvidelse ble bestemt å ha en krystallstorrelse av 150 nm. Under et elektronmikroskop viste pulveret seg å bestå av kornaggregater med en diameter av 1-5 ym.

Pulverne ble malt ved å fylle 6000 deler på forhånd kondi-sjonerte sylindriske koboltbundne wolframcarbidinnsatsstykker med en lengde av 6,35 mm og en diameter av 6,35 mm i en 1,3 liters stål-kulemolle med en diameter av ca. 15, 2h cm idet 290 deler "Soltrol" 130 mettet paraffinisk hydrocarbon med et kokepunktsområde av 165-210°C også ble ifylt. Mollen ble derefter fylt med 105,9 deler titannitrid, W+,5 deler titancarbid, 7,6 deler molybdenpulver og 6,6 deler nikkelpulver av de kvaliteter som er beskrevet ovenfor.

Mollen ble derefter lukket og omdreiet med 90 omdreininger

pr. minutt i 5 dager. Mollen ble derefter åpnet og innholdet tomt

ut mens maleinnsatsstykkene ble holdt tilbake. Mollen ble derefter skylt flere ganger med "Soltrol" 130 inntil alle malte faste stoffer var blitt fjernet.

Det malte pulver ble derefter overfort til et vakuumfordamp-ningsapparat, og overskuddet av hydrocarbon ble dekantert av efter at det suspenderte materiale var blitt bunnavsatt. Den fuktige restkake ble derefter torket under vakuum med tilforsel av varme inntil temperaturen i fordampningsapparatet var 200-300°C og trykket under ca. 0,1 mmHg. Pulveret ble derefter håndtert under fullstendig utelukkelse av luft.

Det torre pulver ble fort gjennom en 70 mesh sikt under en nitrogenatmosfære og derefter lagret under nitrogen i lukkede plast-beholdere.

Et presset råemne ble fremstilt fra pulveret ved å varmpresse dette i en sylindrisk grafittform med et formhulrom med et kvadratisk tverrsnitt av 2,7 x 2,7 cm og forsynt med motsatt rettede, tett-sluttende stempler. Et stempel ble holdt på plass i en ende av formhulrommet mens 31 deler av pulveret ble fylt i formhulrommet under nitrogen og jevnt fordelt ved å omdreie formen og banke den lett på siden. Det ovre stempel ble derefter satt på plass for hånd. Den sammenstilte form og innholdet ble derefter anbragt i et vakuumkammer i en vakuumvarmpresse idet formen ble holdt i lodd-rett stilling, og det ovre og undre stempel ble på-

virket av motsatt rettede grafittstotere i pressen med et trykk av ca. h2 kg/cm . Formen ble i lopet av 1 minutt hevet inn i ovnens varmesone med en temperatur av 1175°C, og ovnstemperaturen ble straks oket til l800°C i lopet av 10 minutter og formens temperatur holdt på l800°C i ytterligere 2 minutter for å sikre en jevn opp-varming av proven. Et trykk av 28l kg/cm 2 ble derefter påfort via stemplene i h minutter. Straks efter pressingen ble formen og innholdet mens det ble holdt mellom de motsatt rettede stbtere, overfort fra ovnen til en kjblesone hvor formen og innholdet ble av-kjolt til svak rbdglod i lopet av ca. 5 minutter.

Formen og innholdet ble derefter fjernet fra vakuumovnen og råemnet fjernet fra formen og blåst med slipekorn for å fjerne eventuelt vedheftende carbon.

Det ferdige stykkes tetthet bestemt ved nbyaktig veiing og måling av dimensjonene var 5,^8 g/cm<J>og tilsvarte den teoretiske

tetthet.

Det varmpressede materiale viste seg ved undersøkelse ved • 1000 X forstørrelse å være i det vesentlige uporost. Denne egen-skap er viktig da uporbse materialer er mor motstandsdyktige overfor korrosjon enn porose materialer med den samme kjemiske sammen-setning. Materialet besto strukturmessig av et meget fint nett-verk. Porøsiteten basert på optiske mikxofotografier var A 1/A2 ifolge ASTM's porositetsskala.

Elektronmikrofotografier antydet en meget finkornet struktur med få korn med en størrelse over 1 eller 2 /Lim. Dessuten viste elektronmikrofotografier en intragranulær fase eller grunnmassefase. Det forekom fra mikrotfotografiet som om metallfasen fullstendig fuktet Litancarbid-titannitridfasen eller -fasene.

Proven var meget seig og gikk ikke i stykker.eller ble avskallet ved fritt fall mot et hårdvedgulv fra en hoyrfe av 2,13 m.

Proven ble polert ved å presse dens overflater fast mot roter-ende skiver med diamantimpregnert duk. For dette ble en Beuhler poleringsmaskin anvendt. En ^-00 korns diamantskive ble anvendt ved 1175 omdreininger pr. minutt for det forste poleringstrinn -og en 1000 korns diamantskive ved 550 omdreininger pr. minutt for det annet, avsluttende trinn.

Den på denne måte polerte prove hadde et tiltalende ornament-lignende utseeende med en gylden farve.

En annen prove med den samme størrelse ble fremstilt som angitt ovenfor, og 1,778 x 1,778 mm kvadratiske prbvestenger for bbyningsfåsthet ble skåret ut på hver side av et midtstykke. Deler av proven ble anvendt for undersøkelse av hardheten mot inntrengning og andre produktegenskaper. Bøyningsfasthet målt ved bøyning' av de 1,778 x 1,778 mm prøvestaver over et 1^,29 mm spenn var ca.21092 kg/cm 2. Rockwell A hardheten var 93?0.

En av de for boyningsfasthetmålingen anvendte stenger ble knust og malt i en morter av carbonståi, og det derved oppnådde pulver ble anvendt for rontgenanalyse. Det oppnådde rbntgendiagram viste et utpreget flatesentrert kubisk monster med en gitterpara-meter av W,2678. Dette monster tilsvarer en fast oppløsning av titannitrid-titancarbid. Gitterparameterne for flatesentrert kubisk titannitrid og titancarbid er hhv. ca. h , 2. k og ca. '•f,32.

Alle gitterparametere er angitt i kX enheter.

Materialet ifolge eksemplet hadde en utmerket motstandsdyktighet overfor oxydasjon og korrosjon og var motstandsdyktig overfor varmesjokk og skraping og hadde lav reaktivitet overfor metaller.

Den usedvanlige kombinasjon av hoy fasthet og hoy hardhet sammen med de ovenfor angitte egenskaper gjor at materialet ifolge eksemplet er et utmerket materiale for slitasjedeler, korrosjons-resistente deler og skjærende verktoy for maskinering av metaller.

Polerte prover av materialet kan også anvendes som smykkegjenstander.

Eksempel 2

Fremgangsmåten ifolge eksempel 1 ble gjentatt, men med den forandring at bestanddelene ble anvendt i slike mengder at det hie oppnådd et materiale inneholdende 88,5 volumprosent titannitrid, 10 volumprosent titancarbid, 1 volumprosent metallisk molybden og 0,5 volumprosent nikkel.

De virkelige mengder som ble fylt i 1,3 liters stålmollen,

var lMt.,20 deler titannitridpulver, lM-,8l deler titancarbidpulver, 3,66 deler metallisk molybdenpulver og 0,89 deler metallisk nikkelpulver.

Et kvadratisk råemne fremstilt som angitt i eksempel 1 og med et tverrsnitt av 2,70 cm og en tykkelse av ca. 0,76 cm ble oppdelt slik at prøvestykker med en storrelse av 1,778 x 1,778 x 25,^ mm ble skåret ut fra begge sider av et midtstykke.

Stengene ble anvendt for boyningsfasthetsmålinger, og den opp-nå© dde verdi var 1933'+ kg/cm 2. Resten av provene ble anvendt for hardhetsmåling og for andre undersøkelser. Den gjennomsnittlige Rockwell A hardhet var 93 >2.

Tettheten var 5,^5 g/cm^ eller over 99% av den teoretiske.

Materialet ifolge eksemplet hadde en utmerket motstandsdyktighet overfor oxydasjon og korrosjon og var motstandsdyktig overfor varmesjokk og skraping og hadde en lav reaktivitet Gverfor metaller.

Den usedvanlige kombinasjon av hoy fasthet og hoy hardhet sammen med de ovenfor angitte egenskaper gjor materialet ifolge eksemplet til et utmerket materiale for slitasjedeler, korrosjons- resistente deler og skjærende verktoy for maskinering av metaller.

Polerte prover av materialet kan også anvendes som smykkegjenstander.

Eksempel 3

Fremgangsmåten ifolge eksempel 1 ble gjentatt, men med den forandring at bestanddelene ble anvendt i slike mengder at det ble oppnådd et materiale inneholdende 50 volumprosent titannitrid,

36 volumprosent titancarbid, 7 volumprosent metallisk molybden og

7 volumprosent metallisk nikkel.

De virkelige mengder som ble fylt i 1,3 liters stålmollen,

var 81,^3 deler titannitridpulver, 53,32 deler titancarbidpulver, 21, ho deler metallisk molybdenpulver og 18,67 deler metallisk nikkelpulver.

Et presset råemne ble fremstilt ved varmpressing og undersokt som angitt i eksempel 1.

Den gjennomsnittlige måo lte bbyningsfasthet var 21+lI+7 kg/cm<2>

og den gjennomsnittlige Rockwell A hardhet 92,7.

Tettheten var 5,83 g/cm^ som tilsvarte den teoretiske tetthet.

Materialet ifolge eksemplet hadde en utmerket- motstandsdyktighet overfor oxydasjon og korrosjon og var motstandsdyktig overfor varmesjokk og skraping og hadde lav reaktivitet overfor metaller.

Den usedvanlige kombinasjon av hoy fasthet og hoy hardhet sammen med de ovenfor angitte egenskaper gjor at materialet ifolge eksemplet er et utmerket materiale for slitasjedeler, korrosjons-resistente deler og skjærende verktoy for maskinering av metaller.

Eksempel h

Fremgangsmåten ifolge eksempel 1 ble gjentatt, men med den forandring at bestanddelene ble anvendt i slike mengder at det ble oppnådd et materiale inneholdende *+5 volumprosent titancarbid,

50 volumprosent titannitrid, 3 volumprosent metallisk molybden og

2 volumprosent metallisk nikkel.

De virkelige mengder som ble fylt i 1,3 liters stålmollen,

var 66,68 deler titancarbidpulver, 81,^-M- deler titannitridpulver, 9,17 deler metallisk molybdenpulver og 5,33 deler metallisk nikkel-

pulver.

Et presset råemne ble fremstilt ved varmpressing og under-

sokt som angitt i eksempel 1.

Den gjennomsnittlige målte boyningsfasthet var 18280 kg/cm<2>

og den gjennomsnittlige Rockwell A hardhet 93,2.

Tettheten var 5,38 g/ cmJ som var over 99% av den teoretiske.

Materialet ifolge eksemplet hadde en utmerket motstands-

dyktighet overfor oxydasjon og korrosjon og var motstandsdyktig overfor varmesjokk og. skraping og hadde lav reaktivitet overfor metaller.

Den usedvanlige kombinasjon av hby fasthet og hoy hardhet

sammen med de ovenfor angitte egenskaper gjor at materialet ifolge eksemplet er et utmerket materiale for slitasjedeler, korrosjons-

resistente deler og skjærende verktoy for maskinering av metaller.

Claims (5)

1. • Ildfast materiale inneholdende titannitrid og titancarbid som er bundet av en metallblanding som inneholder molybden,karakterisert vedat det består av<*>+9,5-9<*>+ volumprosent titannitrid, 5-<*>+9,5 volumprosent titancarbid og 1-15 volumprosent metall bestående i det vesentlige av 20-50 volumprosent nikkel og 50-8o volumprosent molybden, idet materialet har en tetthet over 99% av den teoretiske og en gjennomsnittlig kornstorrelse under 2 ym.

2. Materiale ifolge krav 1,karakterisert vedat dets gjennomsnittlige kornstorrelse er under 1 ym.

3. Materiale ifolge krav 1 eller 2,karakterisert ved at mengden av titancarbid i volumprosent er hbyere enn mengden av metall i volumprosent. k.

Materiale ifolge krav 1-3,karakterisert vedat'det består av 60-85 volumprosent titannitrid, 12-30 volumprosent titancarbid og 3-10 volumprosent metall.

5. Fremgangsmåte ved fremstilling av materialet ifolge krav 1-karakterisert vedat en homogen blanding av ^9,5-9'+ volumprosent titannitrid, 5-<*>+9,5 volumprosent titancarbid og 1-15 volumprosent metall bestående i det vesentlige av 20-50 volumprosent nikkel og 50-80 volumprosent molybden oppvarmes til en temperatur av 1600-1900°C, og at blandingen ved denne temperatur presses ved et trykk av 70,3-351,5 kg/cm 2, hvorpå det dannede press-stykke hurtig avkjoles.