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Werkstoff und Formkörper, hauptsächlich aus Aluminium sowie Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft einen gesinterten Werkstoff und Formkörper im wesentlichen aus Aluminium und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Es wurde bereits vorgeschlagen, einen dichten Werkstoff und gebrauchsfertige Formkörper aus gepulvertem Aluminium herzustellen., das durch Pulverisieren von Aluminiumblöcken in Kugelmühlen oder durch Granulieren oder Atomisieren von Aluminium erhalten wurde. Das Pressen und Sintern solcher Aluminiumpulver war schwierig wegen der Oxyd-und Gasfilme, die sich an den Aluminiumkörnern bildeten.
Durch Pressen reinen Aluminiumpulvers einer durchschnittlichen Korngrösse unter etwa 60 Mikron zu gewünschter Form unter einem Druck von etwa 1500 bis 7500 kg/cm2, kann ein etw 95 bis 99% dichter Pressling erhalten werden ; wird ein solcher Pressling in trockenem gekracktem Ammoniak etwa eine Stunde gesintert, so weist der erhaltene Körper eine Zugfestigkeit von ungefähr 875 kg cm2 bei einer Dehnung von 65% auf ;
diese Festigkeit ist günstig im Vergleich mit den höchsten Zugfestigkeiten von Gussaluminium von etwa 580 bis
875 kg cm2 und von bearbeitetem Aluminium zwischen etwa 720 bis 1080 kgicm2. Die Dehnung von 48% ist erheblich grösser als diejenige von
Gussaluminium, die etwa 20 bis 40% beträgt und von bearbeitetem Aluminium, die etwa 35 bis 45% beträgt. Verglichen mit gegossenem und ausgeglühtem Duralumin, das eine Zugfestigkeit von etwa 1540 bis 2160 kg cm2 besitzt, ist die
Zugfestigkeit des gesinterten reinen Aluminiums unterlegen ; die Dehnung des letzteren übertrifft aber erheblich diejenige des erwähnten Dur- alumins (15 bis 25%). Das Giessen von Alu- minium und Aluminiumlegierungen, wie z. B.
Duralumin, ist aber sehr schwierig wegen des beinahe unvermeidlichen Einschlusses von Gasen.
In der synthetischen Herstellung von Dur- alumin in einem pulvermetallurgischen Prozess, d. h. Mischen von Aiuminiumpulver mit pulverigen
Legierungsbestandteilen von Duralumin (haupt- sächlich Kupfer, Mangan, manchmal auch Eisen,
Magnesium, Silizium, Chrom und Nickel, in
Mengen eines Bruchteils eines Prozents), Pressen und Sintern der Mischung, wurde die Bildung eines Eutektikum bei der Sintertemperatur beobachtet, welche den Pressling verdirbt. Ebenso bildet sich ein schädliches Eutektikum in der Herstellung gesinterter Formkörper aus pulverigen fertige Aluminiumlegierungen, z. B. aus Dur- aluirnnpulver, bd der Sintertemperatur von etwa
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ordentlich verlängert werden.
Dies macht das Verfahren unwirtschaftlich und der gesinterte Werkstoff ist meistens unzureichend fest und weist andere physikalische Mängel auf.
Die Erfindung geht darum von einer pulverigen Mischung von reinem Aluminium als dem überwiegenden Bestandteil und einer Aluminiumlegierung als den geringeren Bestandteil aus, presst die Mischung unter wirtschaftlichen Drücken von etwa 1500 bis 8000 kg ! cm2 und sintert den Pret ing bei ungefähr 580 bis 615 c : C bis die Aluminium..'- gierung alle Poren zwischen den Körnern aus reinem Aluminium ausfüllt und oberflächlich mit ihnen verwächst oder legiert, so dass beim Kühlen ein Verbundkörper oder Konglomerat erhalten wird, das hauptsächlich aus reinem Aluminiumpartikeln besteht, die durch eine Aluminiumlegierung verbunden sind.
Es ist wesentlich, dass die Zeitdauer und Temperatur des Sinterns so festgestellt und bemessen werden, dass keine vollständige Homogenisierung durch Diffusion erfolgt, d. h. dass im wesentlichen Partikel aus reinem Aluminium und deren Bindemittel aus
Aluminiumlegierung erhalten bleiben, obwohl die
Konzentration der Legierungsbestandteile in dem
Bindemittel ein wenig verringert sein mag durch
Absorption von Aluminium aus Oberflächen- schichten der Aluminiumpartikel. Der erhaltene
Verbundkörper wird daher im wesentlichen aus einem zusammenhängenden Netzwerk aus
Aluminiumlegierung bestehen, in welchem
Partikel wesentlich aus reinem Aluminium ein- gebettet und mit ihm oberflächlich vereint oder legiert sind.
Da die Festigkeit und andere physikalische Eigenschaften der Aluminium- legierung diejenigen reinen Aluminiums wesentlich übertreffen, erhöht das Bindemittel, welches gleichsam die Korngrenzen zwischen benachbarten
Aluminiumpartikeln bildet, wesentlich die Festig- keit des erhaltenen Konglomerats. Durch Ver- wachsen (in Form eines Eutektikum oder durch
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oberflächliches Legieren) des Bindemittels mit den Aluminiumpartikeln wird die Durchschnittsfestigkeit des Werkstoffs oder Formkörpers zusätzlich erhöht. Der heterogene Werkstoff und Formkorper gemäss der Erfindung vereinigt darum die Festigkeit des Aluminiumlegierungbindemittels mit der grossen Duktilität der reinen Aluminiumkörner und weist Eigenschaften auf, die bisher unbekannt waren für gegossene oder gesinterte Stoffe oder Körper, hauptsächlich aus Aluminium.
Obwohl die Erfindung auf keine Theorie beschränkt ist, scheinen bisher durchgeführte Versuche zu zeigen, dass während des Sinterns des Ausgangsgemisches in der beschriebenen sorgfältig eingestellten Weise die Aluminiumlegierung eine flüssige Phase entwickelt, welche alle Poren zwischen den Aluminiumpartikeln durchdringt und die Bildung einer Legierung oder eines Eutektikums zwischen dem Bindemittel und den Aussenschichten der Aluminiumpartikel fördert. Selbst wenn keine solche flüssige Phase ausgebildet wird, kann eine oberflächliche Legierungsbildung zwischen der erweichten Aluminiumlegierung (Bindemittel) und den Aluminiumkörnern während des Sinterns erhalten werden durch Diffusion im festen oder halbfesten Zustand.
Es ist wahrscheinlich, dass teils eine flüssige Phase des Bindemittels und teils Diffusion im festen Zustand zu der beobachteten festen
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Die Erfindung, betrachtet vor. einem anderen Gesichtspunkt, schafft einen Sinterkörper, der aus Aluminiumpartikeln oder-körnern besteht, die zu geringem Teil oder praktisch gar keine Legierungsbestandteile des Bindemittels aus Aluminiumlegierung enthalten, während die Konzentration der Legierungsbestandteile im Bindemittel im wesentlichen erhalten bleibt.
Gemäss der Erfindung kann im besonderen Aluminiumpulver grosser Reinheit und beliebiger Herkunft verwendet werden, beispielsweise, wie es am Markte erhältlich ist. Es wird wenn nötig reduziert und sodann mit pulveriger Duraluminlegierung als Bindemittel innig gemischt, die Mischung gepresst und gesintert unter Bedingungen, weiche das Eindringen des Bindemittels in alle Poren des Presslings und die oberfachliche Vereinigung zwischen dem Bindemittel mit den Aluminiumpartikeln sicherstellt, während Diffusion von Legierungsbestandteilen des Bindemittels zu grösserer Tiefe in die Aluminiumpartikel und allenfalls zu solch hohem Masse vermieden wird, dass eine Gleichgewichts-Konzentration der Legierungsbestandteile des Bindemittels und der Aluminiumpartikel erreicht wird.
In anderen Worten, wenn eine Diffusion von Legierungsbestandteilen in die Aluminiumpartikel stattfindet, wird diese auf oberflächliche Schichten
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in den Alummiumpartikeln nimmt rasch ab von deren Oberflächen zu deren Innerem, so dass
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der im wesentlichen frei ist von Legierungsbestandteilen. Anderseits wird die Konzentration der Legierungsbestandteile in dem Bindemittel aus Aluminiumlegierung im wesentlichen aufrecht erhalten. Sollte sich eine flüssige oder halbflüssige Phase der Aluminiumlegierung während des Sinterns bilden, besonders in Berührung mit Aluminiumpartikeln, so wird beim Kühlen eine Legierung oder ein Eutektikum zwischen dem Bindemittel und den Aluminiumpartikeln gebildet, welche die Partikeln umgibt oder eine Zwischenphase zwischen diesen und dem Bindemittel ergibt.
Was immer de. Mechanismus der Verbindung des Bindemittels mix den Aluminiumpartikeln sein mag, der schliesst* ch erhaltene Körper besteht aus einer Anzahl von Aluminiumpartikeln oder Körnern ; im wesentlichen entsprechend dem
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lichen aus einer Duraluminlegierung besteht, die praktisch alle Poren zwischen den Partikeln ausfüllt und mit diesen durch eine Zwischenlegierung oder ein Eutektikum fest verbunden ist.
Dadurch sind Poren beseitigt, die sonst die Festigkeit und andere physikalische Eigenschaften des erhaltenen Körpers verringern würden, und die Korngrenzen sind verstärkt durch das Bindemittel aus einer Duraluminlegierung.
Duraluminlegierungen, die hauptsächlich als Bindemittel gemäss der Erfindung benützt werden, bestehen gewöhnlich aus etwa 90"o oder mehr Aluminium, Rest etwa 3-6ouzo Kupfer, 0-3-2", Magnesium und etwa 0-3-0-5"0 Mangan und
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Mangan-Magnesium-Legierung können etwa 0, 2-1, 3" U Nickel und oder Kobalt oder ein Bruchteil eines Prozents Chrom zugesetzt werden und die Erfindung ist darum nicht beschränkt auf irgend eine besondere Zusammensetzung der duraluminähnlichen Legierungen als Bindemittel.
Beispiel : Reines Aluminiumpulver (Reinheit 99, 5" () oder mehr) oder gereinigtes Aluminiumpulver einer Korngrösse, die in der Hauptsache kleiner ist als 60 Mikron, wird mit Aluminiumlegierungspulver einer Zusammensetzung wesentlich entsprechend Duralumin in einer Kugelmühle oder sonst geeignet gemischt unter Bedingungen, die eine wesentliche Oxydierung des Aluminiums und den Einschluss unerwünschter von dem Mischgerät stammender Verunreinigungen ausschliessen. Wenn gewünscht, wird ein rucÌ1toxydierendes Schmiermittel zugemischt und das Pulvergemisch unter einem Druck von etwa 800 bis 8000 kg cm2 geformt, wobei ein grösserer Druck einen Pressling grössere Dichte ergibt. Der Pressling wird danach gesintert, entweder in einer neutralen Atmosphäre, wie z.
B. trockenes gekracktes Ammoniakgas, oder in Luft, während ungefähr einer Stunde bei etwa 590'bis 615'C, vorzugsweise 600'C und
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danach entweder im Ofen gekühlt in einer Schuizatmosphäre oder in Luft oder in kaltem Wasser abgeschreckt.
Wenn reines handelsübliches Aluminiumpulver der erwähnten Korngrösse und handelsübliches Aluminiumlegierungspulver von Duraluminzusammensetzung in Verhältnissen von etwa 98-60% Aluminiumpulver und 290""Alu- miniumlegierungspulver gemischt wird, die Mischung unter etwa 3200 kg cm2 gepresst und der Pressling in Luft eine Stunde bei 600 c C gesintert, darauf in kaltem Wasser abgeschreckt wird, konnten folgende Zugfestigkeitsergebnisse erhalten werden.
Während gegossenes und ausgeglühtes Duralumin eine Zugfestigkeit von 1440 bis 2160 kg, cm2 und eine Dehnung von etwa 15 bis 25% aufweist, weist ein gesinterter und abgeschreckter Pressling aus einer Mischung, die 80et, Aluminiumpulver enthält eine Zugfestigkeit von 1455 kg cm2 bei einer Dehnung von 20% auf ; wenn die Ausgangsmischung 70% Aluminiumpulver enthält, wird eine Zugfestigkeit von 1765 kg cm2 bei einer Dehnung von 18%, beobachtet und wenn die Ausgangsmischung 90n Aluminiumpulver enthält und der Pressling nur eine halbe Stunde bei 600" C gesintert wird, kann eine Zugfestigkeit über 2160 kg, cm2 beobachtet werden.
Hieraus ergibt sich, dass gemäss der Erfindung ein Verbundwerkstoff und Formkörper aus Alu- rniniuxrv abgebunden mit einer Aluminiumlegierung, erhalten werden kann, deren Zugfestigkeiten diejenigen gesinterten oder gegossenen
Aluminiums erheblich überschreiten, während
Zugfestigkeiten im Bereich gegossenen und aus- geglühten Duralumins und gleiche Dehnungen erhalten werden ; darüber hinaus ist das Produkt gemäss der Erfindung wesentlich frei von nach-
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Duraluminmaterialien enthalten sind.
PATENTANSPRÜCHE : l. Verfahren zur Herstellung eines dichten und festen Werkstoffes und von Formkörpern daraus, die hauptsächlich aus Aluminium bestehen, auf pulvermetallurgischem Wege, dadurch gekennzeichnet, dass Aluminium-und Aluminiumlegierungspulver innig gemischt, die Mischung verpresst und der Pressling bei einer Temperatur zwischen etwa 580 : und () 15 : C gesintert wird, bis die Aluminiumlegierung die Poren zwischen den Aluminiumkömern ausfüllt und sich mit diesen in oberflächlichen Schichten verbindet und das Sintern unterbrochen wird, bevor in den Aluminiumkörnern eine angenäherte Gleichgewichtskonzentration hinsichtlich der im Sinterkörper enthaltenen Metallkomponenten erreicht ist.