DE1533188A1

DE1533188A1 - Wear-resistant composite material

Info

Publication number: DE1533188A1
Application number: DE19661533188
Authority: DE
Inventors: Ruppert Dipl-Chem Dr Wilhelm
Original assignee: ED DRRENBERG SOEHNE
Current assignee: ED DRRENBERG SOEHNE
Priority date: 1966-10-01
Filing date: 1966-10-01
Publication date: 1970-02-12

Description

Verschleißfester Verbundwerkstoff Die Erfindung betrifft einen versebleißfesten Verbundwerkstoff, der aus einer metallischen Matrix und Titannitrid, insbesondere einer wärmebehandelbaren metallischen Matrix und Titannitrid besteht. Unter wärmebehandelbarer Matrix wird hierbei verstanden, daß dieser metallische Anteil des Verbundwerkstoffes durch Wärmebehandlung weicbgeglübt und gehärtet, gegebenenfalls auch noch angelassen werden kann. Als wärmebehandelbare metallische Matrix kann daher ein Stahl, aber auch eine beispielsweise durch Ausscheidungehärtung bärtbare Niebteinenmetallegierung dienen, Insbesondere eine solche, die ein oder mehrere Elemente mit hoher Affinität zum Sauerstoff, z.B. Aluminium oder Titan, enthält.Wear-Resistant Composite Material The invention relates to a wear-resistant composite material which consists of a metallic matrix and titanium nitride, in particular a heat-treatable metallic matrix and titanium nitride. The term heat-treatable matrix is understood here to mean that this metallic portion of the composite material can be browned and hardened by heat treatment, and possibly also tempered. A steel can therefore serve as the heat-treatable metallic matrix, but also a non-precious metal alloy that can be hardened, for example, by precipitation hardening, in particular one which contains one or more elements with a high affinity for oxygen, e.g. aluminum or titanium.

Es wurde bereits wiederholt die Verwendung von Titannitrid als Hartstoff für Hartmotallegierungen vorgeschlagen, jedoch bat die Verwendung diesen Hartstoffen, abgesehen von den Titannitridverunreinigungen, die in dem für Hartmotallegierungen vorwendeten Titanearbid enthalten sind, bisher keinerlei praktische Bedeutung für verschleißfeste Verbundwerkstoffe erlangt. The use of titanium nitride as a hard material for hard mottled alloys has already been repeatedly proposed, but the use of these hard materials, apart from the titanium nitride impurities contained in the titanium carbide used for hard mottled alloys, has so far not achieved any practical significance for wear-resistant composite materials.

Es wurde nun gefunden, daß Verbundwerkstoffe, die aus einer wärmobehandelbaren metallischen Matrix und 20 bis 70 Gew.-%y vorzugsweise 25 bis 35 Gew.-% Titannitrid (TiN) bestehen, äußerst verschleißfest sind. Diese Verbundwerkstoffe bestehen volumenmäßig zumeist überwiegend aus der metallischen MatrIx, die daher die Eigenschaften und das Verhalten den Verbundwerkstoffes maßgeblich bestimmt. It has now been found that composite materials which consist of a heat-treatable metallic matrix and 20 to 70 % by weight, preferably 25 to 35 % by weight of titanium nitride (TiN), are extremely wear-resistant. In terms of volume, these composite materials mostly consist mainly of the metallic matrix, which therefore largely determines the properties and behavior of the composite material.

Besonders vorteilhaft ist es, als metallische Matrix einen Stahl, insbesondere von der Zusammensetzung einen Werkzeugstahlos, zu verwenden; hierbei wird unter Werkzeugstahl allgemein ein Stahl verstanden, aus dem Werkzeuge hergestellt worden, also die unlegierten und die legierten Werkzeugstähle sowie die Schnellarbeitastähle. Besondere Vorteile bringt die Verwendung von Stählen, die Wolfram, Chrom und Molybdän, gegebenenfalls auch noch Kobalt, enthalten. Zufolge dieser Legierungselemente hat die Natrix eine verhältnismäßig hohe Warmfestigkeit und wirkt daher auch noch bei erhöhten Temperaturen ale warmfeste Einbottmasse, für die Titannitridpartikelchen, die diesem Verbundwarkstoff außergewöhnlich gute Gleiteigenscbaften vermitteln. Durch Zusätze von Nickel, Mangan, Molybdän und Chrom zur Stahl-Matrix kann ihre Durchhärtbarkeit in bei Stählen üblicher Weise erhöht werden.It is particularly advantageous to use a steel, in particular a tool steel-free composition , as the metallic matrix; In this context, tool steel is generally understood to mean a steel from which tools are made, that is, the unalloyed and alloyed tool steels and high-speed steels. The use of steels that contain tungsten, chromium and molybdenum, and possibly also cobalt, has particular advantages. As a result of these alloy elements, the matrix has a relatively high heat resistance and therefore acts as a heat-resistant embedding compound even at elevated temperatures for the titanium nitride particles, which give this composite material exceptionally good sliding properties. By adding nickel, manganese, molybdenum and chromium to the steel matrix, its through-hardenability can be increased in the usual way for steels.

Als Material für eine wärmebehandelbare Nichteisenmetall-Matrix eignen sich Kupferlegierungen mit 6 bis 15 % Aluminium und 2 bis 5 % Eisen. Verbundwerkstoffe aus einer derartigen Matrix und TiN Matrix auch für Tiefziehwerkzeuge verwendet werden. Copper alloys with 6 to 15% aluminum and 2 to 5% iron are suitable as the material for a heat-treatable non-ferrous metal matrix. Composite materials made from such a matrix and TiN Matrix can also be used for deep-drawing tools.

Für die Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes ist das Titannitrid vorzugsweise mit einer Korngröße z-5/um zu verwenden. Besondere Vorteile hinsichtlich Feinkörnigkeit und GleIchmäßigkeit für die Herstellung des Verbundwerkstoffes besitzt das Titannitrid, welches durch thermische Zersetzung einer oder mehrerer Komplezverbindungen von Titanhalogeniden, insbesondere Titanchlorid, mit Ammoniak bei Temperaturen von etwa 400 bis 8000C entsteht. Diese Komplexverbindungen werden in Ab- wesenheit von Sauerstoff und seinen Verbindungen, z.B. Wasserdampf, aus Titanhalogeniden und trockenem Ammoniak bei Temperaturen von etwa 20 bis 200 0 C hergestellt. Dabei wird das Titanhalogenid getrennt von Ammoniak in einem von Sauerstoff und seinen flüchtigen Verbindungen gereinigten Trägergasstrom, z.B. Stickstoff, Wasserstoff, verdampft und erst in der Reaktionskammer mit getrennt vom Titanhalogenid zugeleitetem Ammoniakgas zur Reaktion gebracht. Als Titanhalogenid eignen sich dafür besonders die leichtflüchtigen Titanhalogenideg insbesondere das Titantetrachlorid. Die Komplexverbindungen aus Titantetrachlorid und Ammoniak fallen als voluminöses, fast durchsichtiges, gelbliches blättchenförmiges Pulver an, das sich verhältnismäßig leicht zu Formkörpern pressen läßt. Diese Komplexverbindungen werden in Abwesenheit von Sauerstoff und seinen Verbindungen durch allmähliches Erhitzen auf 400 bis 800 0 C zersetzt, wobei unterhalb von etwa 400 0 C überwiegend Ammoniak entweicht und bei höheren Temperaturen Chlorwasserstoff, Stickstoff und Wasserstoff frei werden. Das sich hierbei bildende Titannitrid ist sehr feinkörnig (Korngröße meistz1/um) und, im Gegensatz zum etwa messinggelben kompakten Titannitrid, von - durch die Verteilung bedingt - scheinbar brauner bis dunkelbrauner Farbe. Das Titannitridpulver wird mit dem Pulver der Matrixlegierung, vorzugsweise unter Zugabe geringer Mengen (bis zu 0,7 %) Titan-oder Titanhydridpulver vermischt, zu Formkörpern gepreßt und anschließend unter Schutzgasatmosphäre oder Vakuum (unter 10-3 mm Hg) - insbesondere bei Verwendung einer Stahlmatrix - bei Temperaturen von 1000 bis 1500 0 C gesintert und danach auf Raumtemperatur abgekühlt. Bei anderen Matrixlegierungen richtet sich die Sintertemperatur nach der Schmelztemperatur; die optimale Sintertemperatur kann durch Vorversuche ermittelt werden. Es ist vorteilhaft, den Sintervorgang in Gegenwart von Titanspänen als Sauerstoffacceptoren vorzunehmen, die jedoch mit dem Formkörper nicht in Berührung stehen dürfen, da sonst der Formkörper Titan In nachteiligem Umfang aufnehmen kann. Zur Erzielung höchstmöglicher Dichte kann der vorgeainterte Formkörper durch Pressen und Sintern noch nachverdichtet werden.For the production of the composite material according to the invention, the titanium nitride is preferably to be used with a grain size of z-5 μm. Titanium nitride, which is produced by thermal decomposition of one or more complex compounds of titanium halides, in particular titanium chloride, with ammonia at temperatures of about 400 to 8000C, has particular advantages in terms of fine grain size and uniformity for the production of the composite material. These complex compounds are prepared in the absence essence of oxygen and its compounds, for example water vapor, from titanium halides and dry ammonia at temperatures of about 20 to 200 0 C. The titanium halide is evaporated separately from ammonia in a carrier gas stream, eg nitrogen, hydrogen, which has been cleaned of oxygen and its volatile compounds and is only reacted in the reaction chamber with ammonia gas supplied separately from the titanium halide. The highly volatile titanium halides, especially titanium tetrachloride, are particularly suitable as titanium halides. The complex compounds of titanium tetrachloride and ammonia are obtained as a voluminous, almost transparent, yellowish, flaky powder which can be pressed relatively easily into moldings. These complex compounds are decomposed in the absence of oxygen and its compounds by gradual heating to 400 to 800 ° C. , below about 400 ° C. predominantly ammonia escapes and at higher temperatures hydrogen chloride, nitrogen and hydrogen are released. The titanium nitride that forms here is very fine-grained (grain size mostly z1 / um) and, in contrast to the approximately brass-yellow compact titanium nitride, - due to the distribution - apparently brown to dark brown in color. The titanium nitride powder is mixed with the powder of the matrix alloy, preferably with the addition of small amounts (up to 0.7%) of titanium or titanium hydride powder, pressed into shaped bodies and then under a protective gas atmosphere or vacuum (below 10-3 mm Hg) - especially when using a Steel matrix - sintered at temperatures of 1000 to 1500 0 C and then cooled to room temperature. In the case of other matrix alloys, the sintering temperature depends on the melting temperature; the optimum sintering temperature can be determined through preliminary tests. It is advantageous to carry out the sintering process in the presence of titanium shavings as oxygen acceptors, which, however, must not be in contact with the shaped body, since otherwise the shaped body can absorb titanium to a disadvantageous extent. In order to achieve the highest possible density, the pre-sintered shaped body can be further compacted by pressing and sintering.

Man kann derartige Verbundwerkstoffe auch durch Tränken eines gesinterten Skeletten aus Titannitrid mit der geschmolzenen Matrixlegierung aufbauen und dafür das Skelett dadurch herstellen, daß man in Abwesenheit von Sauerstoff und seinen Verbindungen durch Reaktion von Titanhalogenid und Ammoniak eine Komploxverbindung bei 20 bis 200 0 C herstellt, diese Komploxverbindung zu einem Formkörper verpreßt, den Formkörper allmählich auf 400 bis 800oCt vorzugsweise 500 bis 6000c, erhitzt und bei diesen Temperaturen zum Titannitrid zersetzt. Das gebildete Titannitrid ist sehr aktiv und kann bei Erhöhung der Temperaturen über 1000 0 C, vorzugsweise 1300 bis 16oo 0 C, zu einem porösen Ske- lett aus Titannitrid geaintert worden. Dieses poröse Titannitridskelett wird unter Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum mit ge- schmolzenem und entgastem, vorzugsweise desoxydiertem» Material der Matrix getränkt. Nach dem Tränken läßt man die gebildeten Formkörper auf Raumtemperatur abkühlen.Such composite materials can also be built up by impregnating a sintered skeleton of titanium nitride with the molten matrix alloy and the skeleton can be produced by producing a complex compound at 20 to 200 ° C. in the absence of oxygen and its compounds by reacting titanium halide and ammonia Compound compound is pressed into a shaped body, the shaped body is gradually heated to 400 to 800oCt, preferably 500 to 6000c, and at these temperatures it decomposes to form titanium nitride. The titanium nitride that is formed is very active and when the temperatures are increased above 1000 ° C., preferably 1300 to 160 ° C., it can be agitated to form a porous skeleton made of titanium nitride. This porous Titannitridskelett is impregnated under a protective gas atmosphere or in vacuo with overall schmolzenem and degassed, preferably deoxygenated "material of the matrix. After the impregnation, the shaped bodies formed are allowed to cool to room temperature.

Die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe können zufolge des Wärmebehandlungszustandes der Matrix sehr unterschiedliche Festigkeitseigenschaften haben. Wird als Hatrix beispielsweise ein Stahl verwendet, so hat der Verbundkörper bei weichgeglühter Stahlmatrix seine geringste Zug- und DruckfestIgkelt aber bäcb-Zähigkeitg bei gehärteter Stahlmatrix seine höchste Zug-und Druckfeptigkeit. Es ist daher möglichl diese Verbundwerkstoffe bei weichgeglühter Matrim spanabhebendv aber auch in geringem Umfang spanlos, beispielsweise durch Einsenken, vorzubearbeiten und nach anachliese3ndem Härten und Anlassen - bei einer Stablmatrix - feinst auf das genaue Maß zu bearbeiten, z.B. durch Schleifen, Dabei wirkt sich die gegenüber den anderen Hartstoffen deutlich geringere Härte den Titannitrids und nein* den Adhänionaverschleiß vermindernde Wirkung insofern günstig aus, als der Verschleiß der Bearbeitungswerkzeuge wesentlich geringer ist als bei der Bearbeitung ähnlich aufgebauter Werkstoffe, die jedoch als Hartstoffe ein oder mehrere Carbideg z.B. Titancarbidg enthalten. Die erfindungsgemäßen titannitridbaltigen wärmabebandelbaren Verbundwarkstoffe zeichnen sich durch sehr gute Gleiteigennebaften aus, insbesondere ist ihre Neigung zum Kleben an anderen metallischen Werkatoffen bei gleitender Reibung außerordentlich geringe Sie können daher, insbesondere Im gehärteten Zustand der Matrix - bei einer Matriz aus Stahl in gehärteten und angelassenen Zustand - als verschleißfeste Verkstoffe für Verkzeugeg z*B, der spanlosen Formung, als Werkstoffe für Tastfläcben von Moßzeugen» verwendet worden. Mit ungebärteter Hatrix lassen sie sich auch schon vorteilhaft als vernebleißfente Verkstoffe fUr Lager, insbesondere für deren durch gleitende Reibung beanspruchte Flächen, verwenden. Dabei sind Ölhaftung, Einlaufverhalten selir und Notlaufeigenschaften (Gleiten unter Mangelschmierung gut.The composite materials according to the invention can have very different strength properties as a result of the heat treatment state of the matrix. If, for example, a steel is used as the matrix, the composite body has its lowest tensile and compressive strength in the case of a soft-annealed steel matrix, but its highest tensile and compressive strength in the case of a hardened steel matrix. It is therefore possible to pre-process these composite materials with soft-annealed Matrim but also to a small extent without cutting, for example by countersinking, and after subsequent hardening and tempering - in the case of a bar matrix - finely machined to the exact size, e.g. by grinding The other hard materials have a significantly lower hardness, the titanium nitride and no * the adhesion-reducing effect, in that the wear of the machining tools is significantly lower than when machining materials with a similar structure, which, however, contain one or more carbides, e.g. titanium carbide, as hard materials. The titannitridbaltigen wärmabebandelbaren Verbundwarkstoffe invention are distinguished by very good Gleiteigennebaften from, in particular is their tendency to stick to other metallic Werkatoffen in sliding friction extremely low They can therefore, in particular in the cured state of the matrix - with a Matriz steel in the hardened and tempered condition - has been used as wear-resistant materials for tools such as non-cutting shaping, as materials for tactile surfaces in tools. With non-hardened matrix, they can also be used advantageously as fog-resistant materials for bearings, in particular for their surfaces exposed to sliding friction. Oil adhesion, running-in behavior and emergency running properties (sliding under insufficient lubrication) are good.

Claims

Patent claims Wear-resistant composite material made of a metallic matrix and titanium nitride, characterized in that the metallic matrix is heat-treatable, in particular hardenable, and the titanium nitride content is 20 to 70 % by weight, preferably 25 to 35 % by weight.

2. Composite material according to claim 1, characterized in that the metallic metrix consists of steel, in particular from Verkzeugetehl. 3. Composite material according to claim 1 and 2, characterized in that a titanium nitride with a grain size <5 / um has been used for its production. 4. Composite material still claim 39, characterized in that the fine-grained titanium nitride was produced with ammonia by thermal decomposition of one or more complex compounds, a titanium halide, in particular the titanium chloride. 5- A method for producing a composite material according to claims 1 to 4, characterized @ that in each case in the absence of oxygen and its compounds, the tithe helogenide is reacted with dry ammonia at temperatures of 20 to 200 0 C , the complex compound obtained at temperatures of 400 to 800 ° C. decomposed with the formation of titanium nitride, the titanium nitride powder formed is mixed with preferably degassed steel powder, pressed to form Pormbodies and these were then weaned at temperatures of 1000 to 1500 ° C. Process for the production of a composite material according to Claims 1 to 4, characterized in that * the complex compound obtained in the absence of oxygen and its compounds from titanium halide and ammonia at temperatures of 20 to 200 ° C is molded into a molded body and decomposed at 400 to 800 ° C , the highly porous body of titanium nitride thus formed is sintered at temperatures above 1000 ° Ct, preferably 1300 to 16000c, if necessary post-formed and then impregnated with the melted and entangled material of the matrix in a vacuum or an oxygen-free atmosphere.