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Verfahren zur Herstellung von hohlen Verbundkörpern durch Einseigern eines kupferhaltigen Infiltrates in einen eisenhaltigen Skelettkörper
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern in einem kombinierten pulvermetallurgischen und Einseigerungsverfahren sowie derart hergestellte Formkörper.
Es wurde bereits vorgeschlagen, Verbundkörper dadurch herzustellen, dass ein poröser Skelettkörper aus Eisen, oder Eisen mit zugemischtem Kohlenstoff, oder Eisen, Kohlenstoff und Legierungsbestandteilen von Legierungsstahl durch Pressen hergestellt und mit Kupfer oder einer Kupferlegierung eingeseigert wird. Eine geeignet ? Kupferlegierung enthält zweckmässig bis zu etwa 5O Eisen und bis zu etwa 5% Mangan und manchmal andere Legierungsbssiarndteile in Mengen von einem Bruchteil eines Prozents bis zu mehreren Prozenten, wie Nickel, Chrom, Silizium, Phosphor und/oder Titan.
Es ist oft erwünscht, den Pressling für eine kurze Zeit bei etwa 900-1100 C in einer trockenen reduzierenden oder sonstigen Schutzatmosphäre vorzusintern, um den Zusammenhang des porösen Presslings zu erhöhen oder seine anfänglich grössere Porosität zu der gewünschten von etwa
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zu verringern. Es ist auf diese Weise möglich, gebrauchsfertige Formkörper bestimmter Abmessungen innerhalb enger Toleranzen zu fertigen, die grosse Festigkeit und andere erwünschte physikalische Eigenschaften besitzen, eine glatte Oberfläche aufweisen und mit anderen Körpern verschweisst oder plattiert werden können.
Die einzuseigemde Schmelze wird mit dem porösen Skelettkörper in Berührung gebracht.
Nachdem die Schmelze aufgesaugt ist, muss der Flächenteil, durch den die Einseigerung bewirkt wurde, manchmal gebürstet oder leicht nachbearbeitet werden, falls ein Überschuss des Infiltrates an dem Flächenteil haften blieb. Wenn die Formkörper Maschinenelemente bilden, z. B.
Zahnräder oder Kämme, ist es erforderlich, dass deren Arbeitsflächen glatt und fest sind und geringste Nachbearbeitung erfordern. Die Bohrung zur Aufnahme der Welle muss gewöhnlich genau nachbearbeitet werden.
Gemäss der Erfindung wird ein poröser, in der Hauptsache aus Eisen bestehender und mit einer Höhlung versehener Skelettkörper in. der
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oder eine Kupferlt. ssierung, in die Höhlung eingesetzt und vcw lail wird, die zusammen-
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seiner Ausscnnäche gleichmässig zu durchdringen und ördiche Spannungen oder Zerrungen zu vermeiden. Nach vollendeter Einseigerung ist die Aussenfläche des Formkörpers rein, dicht und glatt und bedarf gewöhnlich keinerlei Nachbearbeitung. Ein Überschuss desinfiltrates, welches an der Innenfläche de Höhlung verblieben sein mag, wird gleichzeitig mit der auf ; eden Fall erforderlichen Nachbearbeitung der Höhlung beseitigt.
Die Erfindung sei an Hand der Ausführungsbeispiele der Zeichnung näher erläutert, in welcher Fig. 1 einen Querschnitt durch de1 gepressten oder vorgesinterten porösen Skelettkörper für ein Zahnrad, Fig. 2 denselben Skelettkörper mit dem festen oder flüssigen Infiltrat in seiner axialen Höhlung, Fig. 3 denselben Skelettkörper nach dem Infiltrieren und Fig 4 in vergrössertem Massstab einen horizontalen Schnitt durch den infiltrierten Skelettkörper längs der Linie 4-4 in Fig. 3 zeigen.
Der Skelettkörper 10 ist mit Zähnen 11, einer zylindrischen Bohrung 12 und Nute 13 versehen und durch Pressen unter einem Druck von etwa
1450 bis 7250 kg cm2 hergestellt. Ein höherer Druck ergibt eine geringere Porosität. Wenn der gepresste Skelettkörpers eine grössere Porosität, als erwünscht, aufweist oder sein Zusammenhang erhöht werden soll, wird er vorgesintert. Der
Skelettkörper kann aus handelsüblichem reinem oder aus reduziertem Eisenpulver einer durchschnittlichen Korngrösse von etwa 15 bis 60 Mikron bestehen. Wenn ein Skelettkörper aus Stahl oder Legierungsstahl gewünscht ist, wird in bekannter Weise Kohlenstoff in geeigneter
Form dem Eisenpulver beigemischt. Hiezu wird fein verteilter Graphit. vorgezogen, der gleich- zeitig als Schmiermittel während des Pressens wirkt.
Die Menge des Kohlenstoffs soll I-7" des Gewichtes des Skelettkörpers nicht über- steigen. Es können auch pulverige Bestandteile von Legierungsstahl dem Eisenpulver beigemengt werden und die Legierungsbildung während des Vorsinterns oder durch Hitzebehandlung des infiltrierten Formkörpers bei geeigneten
Temperaturen und während ausreichender Zeit
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bewirkt werden. Eine solche Hitzebehandlung kann auch ein Ausglühen, Härten, Homogenisieren und Normalisieren hervorrufen.
Der poröse Skelettkörper wird mit Kupfer oder einer Kupferlegierung infiltriert. Eine zweckmässige Legierung enthält etwa 3-5% Eisen und bis zu ungefähr 5% Mangan, welch letzteres bewirkt, dass ein an der Fläche, durch welche die Infiltrierung besorgt wurde, haftengebliebener Überschuss leicht abgehoben werden kann. Andere Legierungsbestandteile können dem Kupfer, wie früher erwähnt, zugegeben werden.
Ein besonders geeignetes Verfahren besteht in der Verwendung einer vorgepressten pulverigen Mischung des Infiltrates, bestehend aus etwa 90% Kupfer, bis zu etwa 50'. Eisen, bis zu etwa 5% Mangan und gegebenenfalls anderen Legierungsbestandteilen in früher erwähnten Mengen. Reduziertes Kupferpulver wird vorgezogen. Das Manganpulver wird vorzugsweise durch Zerkleinern erschmolzene n Mangans erhalten. Das Eisen wird vorzugsweise aus Carbonylen gewonnen. Elektrolytisch. Metallpulver sind weniger geeignet, da sie Wasserstoff und andere Gase während des Schmelzen entwickeln und Elektrolytreste korrodierend wi. c'..
Die Pulvermischung soll sehr fein sein. So ist Kupferpulver einer Korngrösse geringer als 280 Mikron, reines Mangan, gemahlen in einer Kugelmühle z :' gleicher Korngrösse, und CarbonylEisenpulver einer Korngrösse von höchstens 40 Mikron am besten geeignet.
Eine bemessene Menge 14 der Pulvermischung (Fig. 2) ist in die Bohrung 12 des Skelettkörpers 10 eingesetzt und füllt die Bohrung und Nute 13 mehr oder weniger aus. Der Skelettkörper wird mit dem pulverigen Infiltrat in einem Ofen auf die Schmelztemperatur des Infiltrates oder hoher erhitzt, jedoch unterhalb der Schmelzoder Erweichungstemperatur des Skelettkörpers.
Dadurch werden alle Bestandteile des Infiltrates geschmolzen und bilden eine Lösung oder Mischung, welche die untereinander verbundenen Poren des Skelettkörpers leicht durchdringen, so dass die Einseigerung innerhalb weniger Minuten, abhängig von der Grösse und Porosität des Skelettkörpers, vollendet ist.
Die pulverige Mischung der Bestandteile der einzuseigernden Kupferlegierung (in welcher das Eisen und Mangan zumindest zum Teil aus Ferromangan erhalten worden sein kann) kann auch zu pastillenartigen Formkörpern vorgepresst werden, welche in die zylindrische Bohrung 12 passen. Es konnen hiezu auch zwei oder mehrere Pastillen in die Bohrung 12 eingesetzt werden.
Das vorgepresste Infiltrat (Pastille) kann auch gesintert oder sonst in der Hitze behandelt werden, so dass eine Legierung durch Diffusion erhalten wird. Das Sintern wird vorzugsweise nahe der Schmelztemperatur der Kupferlegierung von etwa 1160 bis 1180 C durchgeführt. Die vorerwähnte Legierung von 90""Kupfer, 5""
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Die gepresste und dadurch dosierte Pulvermischung kann auch in einer Form erschtpolzen werden, wodurch grösste Homogenität der Legierung erhalten wird. Sintern oder Schmelzen wird vorzugsweise unter einer reduzierenden oder sonstigen Schutzatmosphäre durchgeführt. Eisenhaltige Skelettkörper für Maschinenelemente können leicht in Massenfertigung mit geringster Abnützung der Formen unter verhältnismässig geringen Drücken hergestellt-werden. Die Pastillen aus pulverigem Infiltrat können gleichfalls unter
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werden. Ein S tern der Pastillen kann in Massenherstellung unter geringen Kosten in
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3 bis 5% Eisen, 3 bis 5% Mangan ist besonders geeignet.
Ein pulverige fertige Kupferlegierung kann auch in die Bohrung 12 des Skelettkörpers 10 (Fig. 2) ohne vorhergehendes Formpressen eingeschüttet werden, obwohl die letztere eine Massenherstellung erleichtert. Das fertige Pulver kann verhältnismässig grobkörnig sein und entwickelt deshalb geringeren Staub beim Einfüllen in die Bohrung oder beim Brikettieren.
Die Verwendung eines vorgesinterten Infiltrate ist selbstverständlich auch von Vorteil bei der Massenherstellung anderer Art als hier beschrieben. Der Formkörper kann so gestaltet sein, dass er der Fläche des Skelettkörpers angepasst ist, durch welche die Einseigerung bewirkt werden soll.
Es ist oft vorteilhaft, eine geringe Menge feinen Aluminiumoxydpulvers dem pulverigen Infiltrat beizumischen oder auf die Fläche aufzustreuen, durch welche die Einseigerung besorgt wird.
Dieses bleibt ausserhalb des Skelettkörper3 und vereinigt sich mit einem Überschuss des ge- schmolzenen Infiltrates, wodurch das Abheben des erstarrten Überschusses erleichtert wird und die Fläche, durch welche die Einseigerung besorgt wird, rein und glatt bleibt.
Nach Erhitzen des Skelettkörpers 10 und des
Infiltrates 14 in der Bohrung 12 auf eine zu- mindest der Schmelztemperatur des Infiltrates entsprechende Temperatur oder durch Ein- giessen des geschmolzenen Infiltrates in die
Bohrung 12 und Aufrechterhalten seines Schmelz- zustandes, bis seine Einseigerung vollendet ist, kann die gleichmässige und vollständige Durch- dringung des Skelettkörpers bis zu seiner Aussen- fläche entlang kürzester Wege in Richtung der
Pfeile 15, Fig. 3, erreicht werden, ohne dass der
Skelettkörper verzerrt wird oder unerwünschte
Spannungen in ihm erzeugt werden. Wenn die
Einseigerung von der Aussenfläche des Skelett- körpers aus bewirkt wird, werden die Zähne 11 oft beschädigt.
Bei dem Verfahren gemäss der
Erfindung bleiben die Zähne glatt, sind nach dem
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Erkalten des Infiltrates dicht und bedürfen keinerlei Nachbearbeitung. Die Aussenfläche enthält die Kupferlegierung und ist darum rötlich. Wenn eine graue Farbe von Eisen oder Stahl vorgezogen wird, kann der infiltrierte Formkörper auf ein oder zwei Minuten in eine Beize eingetaucht werden, welche das Kupfer in molekularer Schicht aus der Oberfläche beseitigt.
Wenn der infiltrierte Formkörper aus Eisen auch Kohlenstoff in den früher erwähnten Mengen enthält, kann in bekannter Weise eine Oberflächenhärtung der Zähne, beispielsweise durch Hochfrequenzerhitzung der Aussenschichten des Formkörpers und nachfolgendes Abschrecken, erhalten werden ; ebenso kann eine Einsatzhärtung, wie z. B. zum Karburieren oder Nitrieren, angewendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von hohlen Ver- bundkörpem durch Einseigern eines kupfer- haltigen Infiltrates in einen eisenhaltigen Skelett- körper, dadurch gekennzeichnet, dass das Infiltrat in die Höhlung des Skelettkörpers eingebracht und von dort aus in geschmolzenem Zustand in den Skelettkörper eingeseigert wird.