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Verfahren zur Herstellung von Leichtmetallkörpern
Es ist bekannt, dass Aluminium und Aluminium- legierungen, besonders dank ihrem leichten Ge- wicht, weit verbreitete Verwendung finden. Das
Reinaluminium besitzt allerdings nur geringe
Festigkeit. Im weichgeglühten Zustand beträgt die Zugfestigkeit 7-9 kgjmm2 und die Brinell- härte 20-25 kglmm2. Durch Kaltverformung kann man die Zugfestigkeit bis auf 20 kgImM2 und die Brinellhärte auf 40 kg, erhöhen.
Durch Zugabe anderer Elemente, wie Kupfer und Magnesium, kann man diese Festigkeitswerte erhöhen. Die erhaltenen Legierungen sind zum Teil aushärtbar, d. h., man kann ihnen durch Lösungsglühen, Abschrecken und Lagern bei Raum-oder erhöhter Temperatur insbesondere eine erhöhte Zugfestigkeit und eine erhöhte Brinellhärte verleihen. Auf diese Weise gelingt es, Zugfestigkeiten bis auf über 50-, und Brinellhärten bis 150 kgjmm2 zu erreichen. In vielen Fällen, wo die Metallteile im Betrieb erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind, z.
B. über 200 C, kann mit diesen hohen Festigkeiten der Leichtmetallstücke nicht gerechnet werden, da sowohl durch Kaltbearbeitung gehärtetes als auch durch Warmbehandlung ausgehärtetes Material weichgeglüht wird, wobei die Festigkeiten bis auf die entsprechenden Werte des weichgeglühten Materials herabsinken, beispielsweise bei hochfesten Aluminiumlegierungen der Gattung Al-Cu-Mg von 42-58 /MM Zugfestigkeit auf 16-22 kglmm2. Es schien bis heute ausgeschlossen, leichte Aluminiumlegierungen herzustellen, die ihre hohen Festigkeitseigenschaften durch eine Glühung auf beispielsweise 200-500 C nicht verlieren.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf ein Verfahren zur Herstellung von Leichtmetall- körpern mit einem spezifischen Gewicht von 5 und darunter, vorzugsweise von höchstens 3, einer Bruchfestigkeit von mindestens 30 kglmm2 und einer Brinellhärte von mindestens 80 /MM auch im geglühten Zustand. Diese Metallkörper werden durch Zusammenpressen und Sintern von unlegiertem oder legiertem Aluminiumpulver von einer solchen Feinheit hergestellt, dass bei mindestens 50% der Pulverteilchen wenigstens eine Dimension (bei Blättchen z. B. die Dicke) weniger als 2 jj, beträgt.
Die Erfindung bezieht sich auch auf die nach diesem Verfahren hergestellten Leichtmetallkörper.
Es war bekannt, dass man Metallpulver zusammenpressen und sintern kann, wobei feste Metal1körper erzeugt werden. Es war aber vollkommen unerwartet, dass man durch eine solche Behandlung von Aluminiumpulver aus reinem Aluminium, das durch Kaltbearbeitung eine Zugfestigkeit von höchstens ungefähr 20 kgJmm2 erhalten kann, wobei dieser Wert auf unter
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haben und diese auch nach einem Glühen bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes, z. B. 600 , praktisch beibehalten. Das Aluminiumpulver kann dabei in an sich bekannter Weise nach irgend einem bekannten Verfahren hergestellt worden sein, z. B. durch Stampfen oder in der Kugelmühle.
Die überraschende Tatsache, dass Reinaluminiumpulver Metallkörper hoher Zugfestigkeit und Härte liefern kann, ist möglicherweise auf den Einfluss der Teilchengrösse bzw. des das Pulver bedeckenden, Oxydfilms zurückzuführen. Das im wesentlichen fettfreie, blättchenförmige Aluminiumpulver des Handels ist meistens schon ohne weiteres Zutun für die Ausführung des Verfahrens brauchbar. Eine Erhöhung des Oxydgehaltes des Aluminiumpulvers bewirkt eine Erhöhung der Härte der hergestellten Gegenstände, wogegen Streckgrenze, Zugfestigkeit und Dehnung abnehmen. Versuche haben gezeigt, dass praktisch oxydfreies Aluminiumpulver oder solches, das nur einige Prozent Oxyd-enthält, für die Ausführung des Verfahrens unbrauchbar ist, da man nicht Leichtmetallkörper mit der angegebenen Zugfestigkeit und Brinellhärte erhält.
Selbstverständlich steigen Zugfestigkeit und Härte mit der Erhöhung des Oxydgehaltes nicht sprunghaft an. Die Erfindung umfasst aber alle nach dem Verfahren hergestellten Leichtmetallkörper, sobald die Zugfestigkeit, die Brinellhärte und das spezifische Gewicht die angegebenen Werte erreichen. Da auch die Teilchengrösse eine Rolle spielt, kann der hiefür notwendige Mindestgehalt an Oxyd nicht angegeben werden.
Für die Feststellung der Brauchbarkeit ist der Versuch massgebend.
Das Aluminium kann auch fremde Elemente enthalten, z. B. Kupfer, Magnesium und Silizium, mit anderen Worten, man kann auch Pulver aus
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Aluminiumlegierungen benützen ; die fremden Elemente können auch in Elementarform oder in Verbindung untereinander, oder in Form von pulverisierten, Aluminium enthaltenden Vorlegierungen dem Aluminiumpulver zugesetzt werden und sich mit diesem während des Sinterns durch Diffusion legieren. Selbstverständlich ist es auch möglich, dem Aluminiumpulver andere Stoffe zuzusetzen, solange das spezifische Gewicht von 5, vorzugsweise von 3, nicht überschritten und die Zugfestigkeit von 30 kgfmm2 sowie die Brinellhärte von 80 kgfmm2 im geglühten Zustand nicht unterschritten werden.
Das Verfahren lässt sich auf verschiedene Weise durchführen, z. B. : a) 1. Kalt Vorpressen,
2. Sintern,
3. warm Nachpressen. b) 1. Kalt Vorpressen,
2. warm Nachpressen und Sintern. c) Warm Pressen und Sintern.
Selbstverständlich können andere Arbeitsgänge eingeschaltet werden.
Beim Warmpressen und Sintern soll die Temperatur so hoch sein, dass die gewünschte Beschaffenheit des Leichtmetallkörpers in wirtschaftlich tragbarer Zeit erhalten wird, aber nicht so hoch, dass schliesslich ein Gussstück statt ein Sinterkörper erhalten wird. Die Temperatur soll mindestens 400 0 C betragen ; ein sehr günstiger Wert ist 550-600 C.
Beispiel l. Reinaluminiumpulver, dessen sämtliche Teilchen mindestens in einer Dimension kleiner als 1 u. waren, wurde kalt vorgepresst und an- schliessend bei 6000 C unter einem Druck von 6 tek2, der 1 Minute aufrecht erhalten wurde, zu
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<tb>
<tb> Dichte <SEP> 2-2
<tb> Streckgrenze <SEP> (bleibende <SEP> Dehnung <SEP> 0#2%) <SEP> ............... <SEP> 28- <SEP> 30 <SEP> kg@mm2
<tb> Zugfestigkeit................ <SEP> 32- <SEP> 36 <SEP> kg@mm2
<tb> Dehnung <SEP> (010)............. <SEP> 2- <SEP> 5%
<tb> Brinellhärte................. <SEP> 85-100 <SEP> /MM.
<tb>
Beispiel 2. Einige nach dem ersten Beispiel erhaltene Körper wurden 48 Stunden bei 630 C geglüht und nach dem Abkühlen wieder geprüft.
Die Festigkeiten waren dieselben wie vor dem Glühen.
Beispiel 3. Nach Glühungen von, nach dem
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Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sich die nach dem Verfahren gemäss der Erfindung hergestellten Leichtmetallkörper bei erhöhter Temperatur, z. B. 4500 C, warm verformen lassen, z. B. durch Strangpressen. Dabei wird die Dichte des Körpers in den meisten Fällen noch erhöht.
Beispiel 4. Durch Kaltvorpressen und anschliessendes Warmpressen (bei 6000 C) von Reinaluminiumpulver von einer solchen Feinheit, dass bei allen Pulverteilchen mindestens eine Dimen- sion weniger als 1 11" betrug, wurden unter einem Druck von 6 tfcm2 während etwa 1 Minute Körper von einer Dichte von 2-2 erhalten. Diese Dichte kann durch längeres Pressen bei hoher Temperatur bis praktisch auf 2-7 (dem spezifischen Gewicht des Aluminiums) erhöht werden, doch wird das Erzeugnis dadurch verteuert. Wird aber der Presskörper, z. B. in der Strangpresse, zu einer Stange verformt, so kann die höhere Dichte in verhältnismässig kurzer Zeit erreicht werden.
So wurden einige der nach dem Beispiel erhaltenen Körper bei 450 C durch Strangpressen durch eine Matrize von 15 mm Durchmesser auf eine Dichte von 2-7 gebracht ; gleichzeitig wurde auch die Dehnung verbessert. Die Festigkeiten waren dann folgende :
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<tb>
<tb> Leichtmetallkörper <SEP> Reinal@miniumnach <SEP> dem <SEP> Pressstangen,
<tb> Strangpressen <SEP> zum <SEP> Vergleich
<tb> Streckgrenze <SEP> 27-30kg/mm, <SEP> 2-5-5kg"mm2
<tb> Zugfestigkeit <SEP> 32-35kg/mm2 <SEP> 7-JCkg/mm2
<tb> Dehnung <SEP> (510) <SEP> 5-8% <SEP> 20-35%
<tb> Brinellhärte <SEP> 85-100kgfmm218 <SEP> 18-28kglmm2.
<tb>
Einige der nach dem Beispiel 4 erhaltenen Körper wurden nach dem Strangpressen während verschieden langer Zeit Temperaturen von 200, 400 und 630 0 C ausgesetzt) ohne dass eine Änderung der Festigkeiten beobachtet werden konnte.
Zur Feststellung der Verhältnisse nach einer Kaltverformung wurden ferner einige in ähnlicher Weise wie in Beispiel 4 hergestellte, Körper mit Hilfe einer Ziehdüse um etwa 7% kalt heruntergezogen und dann 14 Stunden bei 5000 C geglüht. Es wurden an einer Stange folgende Festigkeiten gemessen :
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<tb>
<tb> strangkaltgezogen <SEP> gegluht
<tb> gepresst
<tb> Streckgrenze <SEP> kg/mm2 <SEP> 25#7 <SEP> 34#3 <SEP> 28#9
<tb> Zugfestigkeit <SEP> 35-3 <SEP> 37-2 <SEP> 37-0
<tb> Dehnung <SEP> (310) <SEP> 5-0 <SEP> % <SEP> 1-0 <SEP> % <SEP> 2-5 <SEP> <SEP> o
<tb> Brinellhärte <SEP> 85 <SEP> 91 <SEP> 91.
<tb>
Wie ersichtlich, bewirkt eine Kaltstreckung ein leichtes Ansteigen von Streckgrenze und Zugfestigkeit, während die Dehnung zurückgeht.
Die darauffolgende Glühung verursacht nur eine Kristallerholung, nicht aber eine Rekristallisation, was durch röntgenographische Untersuchungen bestätigt wurde.
Die Leichtmetallkörper nach der Erfindung haben nicht nur eine höhere Streckgrenze, eine höhere Zugfestigkeit und eine höhere Härte bei Raumtemperatur, sondern auch bei erhöhter Temperatur.
Es ist noch zu erwähnen, dass die erfindungsgemässen Leichtmetallkörper eine verhältnismässig hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit im Vergleich zu Aluminiumlegierungen mit ähnlichen Festigkeiten bei Raumtemperatur besitzen. Ausserdem liegt der Wärmeausdehnungs- koeffizient an der unteren Grenze der für Alu- miniumkolbenlegierungen geltenden Werte.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Leichtmetallkörper gemäss der Erfindung raum- beständig sind, d. h., dass sie keine bleibende
Volumenvergrösserung durch Erwärmung erleiden.
Die Warmdauerstandfestigkeit dieser Körper ist unvergleichlich besser als diejenige der be- kannten Aluminiumlegierungen. Die Dehn- geschwindigkeit beträgt z. B. bei 250 C zwischen der 25. und der 35. Belastungsstunde
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man bei vergütetem Al-Cu-Mg eine Dehn- geschwindigkeit von 295 x 10-3 % Ih, also rund das Fünfhundertfache.
Wenn die Körper nur aus Reinaluminiumpulver hergestellt sind, weisen sie im Salzsprühbad die- selbe Korrosionsfestigkeit wie Reinaluminium auf.
Durch Zusatz von bestimmten Fremdmetall- pulvern zum Aluminiumpulver oder durch Verwendung von pulverisierten Aluminiumlegierungen kann man nach dem erfindungsgemässen Verfahren Leichtmetallkörper erhalten, die sich durch Wärmebehandlung (Glühen, Abschrecken und gegebenenfalls Warmauslagern) aushärten (vergüten) lassen, wobei für die Streckgrenze, die Zugfestigkeit und die Brinellhärte Werte erzielt werden, welche die, der aus Reinaluminiumpulver hergestellten Körper übersteigen.
Die gleichzeitige Verwendung von Pulvern verschiedener Zusammensetzung ermöglicht die Herstellung von Körpern mit ungleichmässig verteilten Eigenschaften, was beispielsweise bei Kolben für Brennkraftmaschinen oft erwünscht ist, da der Kolbenboden anderen Beanspruchungen unterworfen wird als der Kolbenmantel.
Eine Erhöhung des Oxydgehaltes des Aluminiumpulvers bewirkt eine Erhöhung der Härte, wogegen Streckgrenze und Zugfestigkeit abnehmen. Man hat es in der Hand, durch Verwendung von Aluminiumpulver verschiedenen Oxydgehaltes Presskörper herzustellen, die z. B. eine härtere Oberfläche und einen zugfesteren Kern besitzen. Man kann auch z. B. Pulver mit einheitlichem Oxydgehalt verwenden und den vorgepressten Körper durch geeignete Behandlung im Oberflächenbereich an Oxyd anreichern.
Es wurde weiter oben ausgeführt, dass die günstigste Temperatur für das Sintern 550 bis 6000 C beträgt. Neuere Untersuchungen haben zu folgenden überraschendem Ergebnis geführt : Man kann durch Kaltpressen und Warmverformen bei Temperaturen von über 350 , die 500 nicht zu überschreiten brauchen, Aluminiumkörper mit einer Zugfestigkeit von über 25, vorzugsweise von mindestens 30 /M wenigstens in einer Richtung, und mit einer Brinellhärte von mindestens 75 /MHK auch im geglühten Zustand erhalten, ohne dass ein besonderes Sintern und ein besonderes Warmpressen notwendig sind.
Das Warmpressen zur Verdichtung des Leichtmetallkörpers, wie es weiter oben angegeben ist, darf mit dem Warmverformen nicht verwechselt werden. Beim Warmpressen werden die Pulverteilchen einfach ohne eigentlichen Fliessvorgang gegeneinandergepresst, während beim Warmverformen (Strangpressen, Warmpressen im Gesenk u. dgl. ) ein Fliessen, d. h. ein Aufeinandergleiten der Pulverteilchen stattfindet. Unter Warmverformen ist also ein Warmpressen zu verstehen, das mit einem Kneten verbunden ist. Es hat sich gezeigt, dass ein Verformungsgrad von über 50% erwünscht ist. Beim Strangpressen z. B. wird man dafür sorgen, dass die Querschnittsverminderung 50%, vorzugsweise 70% des Ausgangsquerschnittes übersteigt.
Beispiel 5. Fettfreies Reinaluminiumpulver des Handels, dessen blättchenförmige Teilchen eine Dicke unter I 1.. 1, hatten, wurde in einem Hohlzylinder von 100 mm Innendurchmesser unter einem Druck von 5 tlcm2 zu einem Bolzen von 200 mm Höhe kalt gepresst. Hierauf wurde der erhaltene Bolzen auf 500 0 erwärmt und in einer Strangpresse durch eine Matrize von 500 mm Durchmesser gepresst. Der Rezipient war ebenfalls auf ungefähr 500 C erwärmt.
Die erhaltene, 50 mm dicke Stange zeigte folgende Eigenschaften.
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<tb>
<tb> Streckgrenze <SEP> 25-28 <SEP> kg/mm2
<tb> Zugfestigkeit <SEP> 30-33 <SEP> kg/mm2
<tb> Dehnung <SEP> (o <SEP> 10)......... <SEP> 6- <SEP> 8%
<tb> Brinellhärte <SEP> 80-95 <SEP> kg/mm2.
<tb>
Die nach dem Verfahren gemäss der Erfindung hergestellten Metallkörper eignen sich z. B. vorzüglich für solche Zwecke, bei welchen hohe Festigkeiten verlangt werden und hohe Temperaturen herrschen, z. B. für Kolben von Brennkraftmaschinen, Kolbenringe, Leitschaufeln für Dampf-und Gasturbinen, Teile von Düsen- antriebsaggregaten. Man kann auch daraus Kokillen für das Giessen von bestimmten Metallen, insbesondere von Aluminium und Aluminiumlegierungen, herstellen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Leicht- metallkörpern mit einem spezifischen Gewicht von 5 und darunter, vorzugsweise von höchstens 3, einer Zugfestigkeit von mindestens 30 kglmm2 und einer Brinellhärte von mindestens 80 /NK auch im geglühten Zustand, dadurch gekennzeichnet, dass man Aluminiumpulver von einer solchen Feinheit, dass bei mindestens 50% der Pulverteilchen wenigstens eine Dimension weniger als 2 p. beträgt, das in bekannter Weise hergestellt ist, zusammenpresst und sintert.