DE3873724T2

DE3873724T2 - Zusaetze enthaltende wolframschwermetallegierungen mit feinem gefuege.

Info

Publication number: DE3873724T2
Application number: DE8888121723T
Authority: DE
Inventors: James A Mullendore; James R Spencer
Original assignee: GTE Products Corp
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1988-01-04
Filing date: 1988-12-27
Publication date: 1993-01-28
Anticipated expiration: 2008-12-28
Also published as: ATE79414T1; EP0323628B1; US4885031A; DE3873724D1; EP0323628A1

Description

Die Erfindung betrifft Wolframschwermetallegierungen. Insbesondere betrifft die Erfindung Zusätze enthaltende Wolframschwermetallegierungen, wobei die Zusätze es ermöglichen, eine Wolframschwermetallegierung mit feinem Gefüge zu erzielen.
Wolframschwermetallegierungen enthalten im allgemeinen etwa 88 bis in etwa 98 Gew.-% Wolfram, Rest Eisen und Nickel. Für verschiedene Anwendungen werden auch Kobalt und Kupfer als Legierungszusätze verwendet.
Wolfram und dessen Legierungen werden für Panzerprüfspitzen verwendet. Es wird angenommen, daß ein Wolfram mit feinerem Korn die Leistung einer solchen Prüfspitze verbessert. Herkömmliche Flüssigphasen-gesinterte Wolframschwermetallegierungen besitzen eine Korngröße zwischen ungefähr 25 und ungefähr 100 u. Folglich beträgt die Kornanzahl pro mm² ungefähr 100 bis ungefähr 2000. Die anfängliche Größe des Wolframpulvers wirkt sich wenig auf die Korngröße des gesinterten Materials aus.
Daher nimmt man an, daß ein Wolframschwermetallegierungsmaterial mit den vorteilhaften Eigenschaften einer Wolframschwermetalllegierung, jedoch mit einer kleineren Korngröße ein Fortschritt des Standes der Technik sein würde.
Gemäß eines Aspekts dieser Erfindung wird ein verdichteter Wolframschwermetallegierungskörper zur Verfügung gestellt, bestehend aus 88 bis 98 Gew.-% Wolfram, 0,25 bis 1,5 Gew.-% eines die Korngröße verringernden Zusatzes, gewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Ruthenium, Rhenium und deren Mischungen, Rest Nickel und Eisen, in einem Gewichtsverhältnis von Nickel zu Eisen von 1:1 bis 9:1, wobei der verdichtete Körper mehr als 2500 Körner pro mm² aufweist, bestimmt anhand der Mikrostruktur des Körpers.
Gemäß eines anderen Aspekts dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung verdichteter Körper mit reduzierter Korngröße zur Verfügung gestellt, umfassen die folgenden Schritte:
a) Bilden einer relativ gleichmäßigen Mischung elementarer Metallpulver, wobei die Mischung aus 88 bis 98 Gew.-% Wolfram, 0,25 bis 1,5 Gew.-% eines die Korngröße verringernden Zusatzes, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ruthenium, Rhenium und deren Mischungen, Rest Nickel und Eisen, mit einem Gewicht von 1:1 bis 9:1 besteht,
b) Pressen des Pulvers, um einen Rohkörper zu bilden und
c) Sintern des Rohkörpers in einer reduzierenden Atmosphäre für eine ausreichende Zeit, um eine Dichte in der Nähe der theoretischen Dichte zu erzielen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Figur zeigt ein Diagramm der Anzahl an Körnern pro mm² in der Mikrostruktur verschiedener verdichteter Körper der vorliegenden Erfindung, welche verschiedene Mengen an die Korngröße verringerndem Zusätzen enthalten und ein Material nach Stand der Technik ohne solche Zusätze.
Zu einem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung, zusammen mit anderen und weiteren Gegenständen, Vorteilen und Fähigkeiten der Erfindung wird auf die folgende Offenbarung und die beigefügten Ansprüche in Verbindung mit der obenbeschriebenen Zeichnung und Beschreibung einiger Aspekte der Erfindung verwiesen.
Der die Korngröße verringernde Zusatz sollte in Mengen von 0,25 bis 1,5 Gew.-% hinzugefügt werden. Mehr als 1,5 Gew.-% resultiert in einer entgegengesetzten Wirkung auf die strukturellen Eigenschaften der Legierung, z.B. Härte und Festigkeit. Weniger als 0,25 Gew.-% erreicht nicht den erwünschten Anteil an Verringerung der Korngröße. 0,5 bis 1,25 Gew.-% an die Korngröße verringerndem Zusatz wird bevorzugt. Der die Korngröße verringernde Zusatz kann aus der Gruppe, bestehend aus Ruthenium, Rhenium und deren Mischungen ausgewählt werden. Ruthenium neigt dazu, eine stärkere Verkleinerung bei einem gegebenen Level als Rhenium zu bewirken. Die Figur zeigt die drastische Wirkung der die Korngröße verringernden Zusätze. Insbesondere zeigt die Figur, daß bei einem Zusatz von 2 Atom-% Ruthenium das verdichtete Material ungefähr 5000 Körner pro mm² aufweist, im Vergleich mit ungefähr 1600 pro mm² bei einem gleichen Material ohne Zusatz. Eine Rheniumzugabe von 1 Atom-% führt zu einem Material mit ungefähr 3500 bis 3600 Körnern pro mm². Es sollte festgehalten werden, daß ein Material mit ungefähr 2400 Körnern pro mm² eine durchschnittliche Korngröße von ungefähr 20 u hat und daß ein Material mit ungefähr 5500 Körnern pro mm² eine durchschnittliche Korngröße von ungefähr 13,5 u aufweist.
Der Wolframanteil kann zwischen 88 und 98 Gew.-% der Legierung variieren. Eisen und Nickel, welche die zuvor genannten die Korngröße verringernden Zusätze enthalten, bilden den Rest der Legierung. Das Nickel:Eisenverhältnis kann zwischen 1:1 und 9:1 variieren, bevorzugt zwischen 7:3 und 8:2.
Bei der praktischen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine relativ gleichförmige Mischung der elementaren Metallpulver bevorzugt präpariert. Während die elementaren Metallpulver als Anfangsmaterial bevorzugt werden, können metallische Salze mit einer flüchtigen nichtmetallischen Komponente verwendet werden, solang der geeignete Anteil an metallischen Elementen in der Mischung vorhanden ist. Nachdem eine relativ gleichförmige Mischung unter Verwendung konventioneller Mischvorrichtungen, z.B. eines V-Mischers, hergestellt wurde, wird das Material erhitzt, um die flüchtigen Komponenten, sofern welche vorhanden, zu entfernen. Die Zeit und Temperaturen sind abhängig von den verwendeten Materialien und sind den Fachleuten auf dem Gebiet der Pulvermetallurgie bekannt.
Nachdem eine gleichmäßige Mischung elementarer Metallpulver hergestellt wurde, werden die Pulver zu einem Rohling verpreßt, welche eine ausreichende Festigkeit besitzt, um zu verhindern, daß der Rohling während der normalen Handhabung bricht, die es erfordert, die Körper von den zur Bildung der Rohlinge verwendeten Pressen zu anderen Orten, z.B. den Sinteröfen, zu bewegen. Eine typische Verfestigungstechnik zur Herstellung von Rohlingen ist isostatisches Pressen unter Verwendung von Drucken zwischen ungefähr 30 und ungefähr 50 psi.
Obwohl es nicht wichtig ist, wird der Rohling vorzugsweise einer Festkörpersinterung unterworfen, bei einer Temperatur, die unterhalb der Schmelzpunkte jedes der verwendeten Elemente liegt und für eine Zeitdauer, die ausreichend ist, die Bindemittel, welche als Preßhilfe bei der Bildung des Rohlings verwendet wurden, zu entfernen und eine Dichte, die größer ist als ungefähr 80 % der theoretischen Dichte zu erzielen. Da Nickel das erniedrigschmelzendste Elemente ist, welches bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, erschmelzt bei ungefähr 1455 ºC, sollte die Anfangstemperatur unter ungefähr 1425 ºC liegen, vorzugsweise ungefähr 1400 ºC. Die für das Vorsintern bei ungefähr 1400 ºC erforderliche Zeitdauer beträgt ungefähr 4 h. Für niedrigere Temperaturen sind längere Zeiten erforderlich, während für Temperaturen in der Nähe des Schmelzpunktes von Nickel kürzere Zeiten erforderlich sind. Nach dem Schritt der Festkörpersinterung wird das Material mittels Flüssigphasensinterung oberhalb des Schmelzpunktes von Nickel auf die volle Dichte gesintert. Die Temperatur der Flüssigphasensinterung ist abhängig von dem Wolframgehalt. Ungefähr 45 min bei ungefähr 1530 ºC sind ausreichend die volle Dichte für Legierungen mit ungefähr 93 Gew.-% Wolfram und einem 7:3 Nickel:Eisenverhältnis zu erzielen. Für Legierungen mit ungefähr 95 Gew.-% Wolfram und einem 7:3 Nickel:Eisenverhältnis sind ungefähr 1550 ºC erforderlich. Das Sintern wird einer reduzierenden Atmosphäre, umfassend Wasserstoff, Wasserstoff-Stickstoffmischungen und dissoziierten Ammoniak, durchgeführt. Obwohl die obenerwähnten Zeiten und Temperaturen variiert werden können, ist es für einen Fachmann der Pulvermetallurgie klar, daß sich merklich höhere Temperaturen nur auf die Kosten des Verfahrens niederschlagen, während tiefere Temperaturen nicht das gewünschte Maß an Flüssigphasensinterung erzielen, da der Schmelzpunkt von Nickel nicht erreicht werden könnte.
Zum Verständnis der vorliegenden Erfindung wird das folgende detaillierte Beispiel angeführt. Alle Prozentanteile und Verhältnisse beziehen sich auf das Gewicht, es sei denn, es ist anders angegeben.

Beispiel

Die in der nachfolgenden Tabelle angeführten Legierungen wurden durch einstündiges Mischen elementarer Metallpulver der dargestellten Metalle in einem V-Mischer hergestellt. Aus diesen Pulvermischungen wurden Barren hergestellt, mittels isostatischen Pressens der Mischungen bei ungefähr 35 ksi. Die Baren wurden im feuchten Wasserstoff ungefähr 4 h bei ungefähr 1400 ºC gesintert, gefolgt von einer Sinterung bei 1530 ºC für 45 min. Die Mikrostruktur der gesinterten Barren wurde ausgewertet, und die Figur stellt die Korngröße gegen die Atomprozente an Ruthenium und Rhenium dar. Es sollte festgehalten werden, daß bei allen Legierungen des Beispieles die Atom- und Gewichtsprozente von Rhenium ungefähr die gleichen sind, während bei Ruthenium die Atomprozente ungefähr das Doppelte des Gewichtsprozentes beträgt. Legierungsmischungen (Gew.-%) Wolfram Nickel Eisen Ruthenium Rhenium
Während bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, ist es für Fachleute selbstverständlich, daß verschiedene Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von dem in den nachfolgenden Ansprüchen definierten Bereich der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Verdichteter Wolframschwermetallegierungskörper, bestehend aus 88 - 98 Gew.-% Wolfram, 0,25 - 1,5 Gew.-% eines die Korngröße verringernden Zusatzes, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ruthenium, Rhenium und deren Mischungen, Rest Nickel und Eisen, in einem Gewichtsverhältnis von Nickel:Eisen von ungefähr 1:1 bis ungefähr 9:1, wobei der verdichtete Körper mehr als 2500 Körner pro mm² aufweist, bestimmt aus der Mikrostruktur des Körpers.

2. Körper nach Anspruch 1, wobei das Nickel: Eisengewichtsververhältnis zwischen 7:3 und 8:2 liegt.

3. Körper nach Anspruch 2, wobei dieser Zusatz Ruthenium ist.

4. Körper nach Anspruch 2, wobei dieser Zusatz Rhenium ist.

5. Verfahren zur Herstellung verdichter Wolframschwermetalllegierungskörper mit mehr als 2500 Körner pro mm², gekennzeichnet durch:

a) Bilden einer im wesentlichen gleichmäßigen Mischung elementarer Metallpulver, wobei die Mischung aus 88 - 98 Gew.-% Wolfram, 0,25 - 1,5 Gew.-% eines die Korngröße verringernden Zusatzes, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ruthenium, Rhenium und deren Mischungen, Rest Eisen und Nickel in einem Gewichtsverhältnis von Eisen:Nickel zwischen 1:1 und 9:1 besteht,

b) Pressen des Pulvers, um einen Rohling zu bilden,

c) Festkörpersintern des Rohlings in einer reduzierenden Atmosphäre unterhalb des Schmelzpunktes jedes Elementes für eine Zeitdauer, welche ausreichend ist, alle Bindemittel zu entfernen und eine Dichte von mehr als 80 % der theoretischen Dichte zu erzielen und

d) Flüssiphasensintern bei einer Temperatur zwischen 1530 und 1550 ºC für eine Zeit, die ausreichend ist, ungefähr theoretische Dichte zu erzielen.