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Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes upd Formkörpers daraus Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes und Formkörpers daraus, welche im wesentlichen aus Eisen oder einer Eisenlegierung und Kupfer oder einer Kupferlegierung als Infiltrat bestehen.
Die Anmelderin hat früher vorgeschlagen, Eisenpulver, das bis zu loo Kohlenstoff enthalten kann, zu einem Skelettkörper von 35 bis 10% Porosität seines Gewichtes zu pressen und in ihm die Schmelze von Kupfer oder einer Kupferlegierung einzuseigem, so dass beim Kühlen ein Verbundwerkstoff oder Formkörper grösserer Dichte, glatter Oberfläche und anderen erwünschten Eigenschaften erhslfen wird. Der gepresste Skelettkörper kann kurzzeitig bei etwa 900-1100 C vorgesintert werden, um seine Festigkeit zu erhöhen und ihn auf eine gewünschte geringere Porosität zu schrumpfen.
Es wurde gefunden, dass ein Skelettkörper aus reinem Eisen beim Vorsintern bei den angegebenen Temperaturen weniger schrumpft als ein Skelettkörper, der Kohlenstoff bis zu etwa 17% enthält.
Es wurde ferner gefunden, dass sich beim Einseigern von Kupfer oder einer Kupferlegierung der Skelettkörper ausdehnt, vielleicht, weit das Infiltrat und der Skelettkörper Gase entwickeln, und vielleicht, weil das flüssige Infiltrat einen gewissen Druck im Inneren des Skelettkörpers ausübt. Wenn geschmolzenes Kupfer oder eine Kupferlegierung gegebener Temperatur in Skelettkörper verschiedener Zusammensetzung, Form und Porosität eingeseigert werden, schwankt die Ausdehnung in Abhängigkeit von der Temperatur des Infiltrats und dem Porenvolumen, welches ausgefüllt wird. Auch Skelettkörper gleicher Zusammensetzung, Form und Porosität werden beim Einseigern desselben Infiltrats Ausdehnungen aufweisen, die geringfügig schwanken.
Es wurde ferner gefunden, dass ein vorgesinterter Skelettkorper aus reinem Eisen während des Vorsinterns nur wenig schrumpft und seine Ausdehnung während des Einseigerns immer grösser ist als diese vorausgehende Schrumpfung.
Die Aussenmasse des infiltrierten Korpers werden in diesem Fall darum stets diejenigen des Presslings überschreiten und grösser sein als die
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mit c : r Menge, Arr und Temperatur des Infiltrats.
Wenn der Skelettkörper aus Eisenpulver mit
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Abmessung und Form aus reinem Eisenpulver, wird seine Schrumpfung grösser sein, als diejenige des Presslings aus reinem Eisen, und die Ausdehnung nach dem Infiltrieren von Kupfer oder einer Kupferlegierung wird die früher erfolgte Schrumpfung nicht vollständig ausgleichen und keinesfalls überschreiten, so dass die Aussenmasse des abgekühlten, infiltrierten Körpers geringer sind) als diejenigen des Presslings und der Form, in welcher der letztere hergestellt wurde.
Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, die Schrumpfungen des Presslings während des Vorsinterns und seine Ausdehnung während des Einseigerns so einzustellen und abzustimmen, dass ein Formkörper vorbestimmter Abmessung innerhalb enger Toleranzen erhalten wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung eines Verbundwerkstoffes und Form- körpers daraus, wobei Eisenpulver mit einem bemessenen Gehalt an Kohlenstoff zu einem
Skelettkörper gepresst und vorgesintert wird,
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bestandteil enthaltende Schmelze eingeseigert wird, und besteht darin, dass der Kohlenstoffgehalt so bemessen ist, dass die Schrumpfung des Presslings beim Vorsintern und seine darauffolgende Ausdehnung beim Einseigern der Kupferschmelze soweit wie möglich kompensiert wird. Während es bisher mit grossen Schwierigkeiten verbunden war, Verbundwerkstoffe mit reproduzierbaren Abmessungen herzustellen, können gemäss der Erfindung die Abmessungen und die Gestalt des erhaltenen Körpers derart innerhalb enger Toleranzen denjenigen der Form angeglichen werden, in welcher der Skelettkörper verpresst wurde.
Beispielsweise durch Zumischung von 0-7% Kohlenstoff in Form fein verteilten Graphits,
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der auch als Schmierung während des Pressens wirkt, zu marktgängigem reinen Eisenpulver kann nach dem Vorsintern und Infiltrieren ein durch- schnirtlicher Kohlenstoffgehalt von 0-4 bis 0-5% erhalten werden ; der Kohlenstoff verbindet sich mit dem Eisen und erteilt dem Körper eine stahlartige Struktur. Die Schrumpfung während des Vorsinterns ist ausgeglichen durch die nachfolgende Ausdehnung während des Infil- trierenbund die endgültigen Mass ; des infiltrierten Körpers sind diejenigen des porösen Presslings, welcher aus der Form ausgeworfen wurde.
Demnach kann durch geeignete Bemessung des zugegebenen Kohlenstoffs zu einer gegebenen Art von Eisenpulver erreicht werden, dass d ?'- infiltrierte Körper dieselben Abmessungen besitzt wie die Pressform.
Wenn schwedisches Eisenpulver benutzt wird, soll der zugegebene Kohlenstoff etwa 0'5-0. 6% betragen, so dass die grössere Schrumpfung reinen schwedischen Eisenpulvers beim Vorsintern durch die anwesende Kohlenstoffmenge verringert und durch die Ausdehnung während des Infiltrieren ausgeglichen werden kann.
So ist es klar, dass es durch geeignete Bemessung des Kohlenstoffgehaltes der eisenhaltigen Ausgangsmischung erreicht werden kann, dass die Schrumpfung während des Vorsinterns durch die nachfolgende Ausdehnung beim Infiltrieren praktisch ausgeglichen wird, was den Vorteil hat, dass auch Streuungen praktisch vermieden werden.
Natürlich ist in der Praxis fast niemals eine solche Genauigkeit gefordert ; es genügt, wenn die Schwankungen innerhalb vorgeschriebener Toleranzen bleiben. Während die Schrumpfung von vielen Faktoren abhängt (Korngrösse, Art des Eisenpulvers, Pressdruck und daher Porosität, Vorsintertemperatur, Art der Atmosphäre im Ofen usw. ) und darum der Kohlenstoffgehalt geeignet bemessen werden muss, ist die Ausdehnung beim Einseigern eines gegebenen Metalls (I, egierung) gegebenel Temperatur praktisch konstant und geringfügige Schwankungen der Temperatur und Zeitdauer des Einseigerns haben darum keinen wesentlichen Effekt auf die Ausdehnung eines Skelettkörpers gegebener Zusammensetzung und Porosität.
In Ausübung der Erfindung wird es stets erforderlich sein, der Ausgangsmischung Kohlenstoff zuzusetzen und der endgültig erhaltene Skelettkorper wird darum eine Stahl Struktur aufweisen, welche einer nachträglichen Hitzebehandlung zugänglich ist, beispielsweise um den Kohlenstoff gleichmässig durch Diffusion im festen Aggregatzustand zu verteilen oder ein Ausglühen, Homogenisieren oder Normalisieren des Körpers zu bewirken, usw.
Dem Eisenpulver der Ausgangsmischung können auch Bestandteile von Legierungsstahl zugemischt werden ; stets wird die Menge des zugefügten
Kohlenstoffs die Schrumpfung des Presslings während des Vorsinterns bestimmen. Wenige
Versuche reichen aus, um für eine gegebene Zusammensetzung der Ausgangsmischung die spezifische Schrumpfung festzustellen und die geeignete Menge des zuzufügenden Kohlenstoffs zu bestimmen.
Jede Art von Eisenpulver kann für die Zwecke der Erfindung verwendet werden. Grosse Reinheit und Trockenheit der Atmosphäre, in welcher das Vorsintern bewirkt wird, sind wesentlich.
Die einzuseigernde Kupferlegierung enthält vorzugsweise bis zu etwa 5% Eisen und/oder einen geringeren Prozentsatz Nickel, bis zu
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Prozente oder tin Bruchteil eines Prozents Phosphor ; wenige Prozente oder Bruchteile eines Prozents Chrom, Sitizium und/oder Titan werden manchmal vorteilhaft der Kupferlegierung zu-
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um eine vorbestimmte Schrumpfung während des Vorsinterns des Presslings zu erreichen, ist recht kritisch und dadurch wird die Menge des Kohlenstoffs begrenzt, welcher in dem fertigen Körper verbleibt und sich mit dem Eisen verbinden kann.
Wenn ein grösserer Kohlenstoffgehalt erwünscht ist, als der kritischen Menge entspricht, empfiehlt es sich, verschiedene Arten von Eisenpulver zu mischen oder eine solche Eisenart zu wählen, welche mit der gewünschten Kohlenstoffmenge die vorbestimm, - Schrumpfung während des Vorsinterns und Ausdehnung während des Infiltrierens sicherstellt, so dass ein Körper von Aussenmassen innerhalb gegebener Toleranzen erhalten wird.
Somit ermöglicht die Erfindung eine weitgehende Vorausbestimmung der Aussenmasse des fertigen Körpers durch geeignete Wahl des Eisenpulvers oder Mischen verschiedener Eisenpulver mit oder ohne Zugabe von Legierungsbestandteilen von Stahl, geeignete Wahl des Infiltrates (Kupfer oder Kupferlegierung) und vor allem durch richtige Abstimmung der Menge des zuzugebenden Kohlenstoffs. Der letztere ist oft nicht nur vorausbestimmt durch die gewünschten Aussenmasse des fertigen Körpers, sondern auch durch seine gewünschten physikalischen Eigenschaften, z. B. Festigkeit, Dehnung usw. Manchmal ist dieser Kohlenstoffgehalt auch bestimmt durch die gewünschte Eigenschaft des fertigen Körpers, abgeschreckt, insbesondere gehärtet, ausgeglüht, normalisiert usw. werden zu können.
Auch diese Erfordernisse können durch die Erfindung in weitem Masse erfüllt werden, wie früher gezeigt.
Manchmal soll der fertige Körper an der Aussenseite härter sein und zäher im Inneren. Zu diesem Zweck werden eisenhaltige Körper gewöhnlich im Einsatz gehärtet (karburiert, nitriert usw. ), mit Kohlenstoffgehalten des Skelett- körpers zwischen ungefähr 0-3-0-4% würde die übliche Einsatzhärtung eine Erhitzung für viele
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Stunden und darauffolgendes Abschrecken erfordern, wodurch der ganze Körper gleichmässig gehärtet würde. Gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung werden an Stelle dessen Aussenlagen des Körpers durch Hochfrequenz-Induktions- erhitzung schnell erhitzt, ohne das Innere des Körpers gleichzeitig zu erhitzen, und darauffolgend abgeschreckt.
Eine Erhitzung während eines Bruchteils einer Minute reicht oft aus, um das Eisen in Aussenlagen über seine Transformationstemperatur (d. h. innerhalb des austenitischen Temperaturbereiches) zu erhitzen, ohne das Innere des Körpers auch nur nahe dieser Temperatur zu bringen.
Der Vorgang der Aussenhärtung wird durch
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wird über einen Faden oder Draht 2 mit seiner Höhlung 3 gefädelt und auf einen Träger 4 aufgesetzt und sodann mittels des Fadens durch eine Hochfrequenzspule 5 hindurchgeführt, welche mit Hochfrequenzstrom gespeist ist. Sobald die Aussenfläche des Körpers 1 über die Transformationstemperatur erhitzt ist, wird der Faden 2 bei 6 durchgeschnitten, so dass der Körper in kaltes Wasser 7 fällt, das in einem Behälter 8 unterhalb der Spule 5 enthalten ist, wodurch der Körper abgeschreckt wird. Ein grosser Behälter 8 oder eine Anzahl von solchen, wie gezeichnet, können auf einem laufenden Band 9 aufgesetzt sein.
In jedem Fall wird der fertige Körper aus einem eisenhaltigen Netzwerk bestehen, das von dem Skelettkörper stammt, und von einem zweiten Netzwerk durchsetzt und mit diesem meistens oberflächlich legiert ist, welches haupt- sächlich aus Kupfer (Kupferlegierung) besteht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes und Formkörpers daraus, wobei Eisenpulver mit einem bemessenen Gehalt an Kohlenstoff zu einem porösen Skelettkörper gepresst und vorgesintert wird, so dass seine Porosität 35-10% seines Gewichtes beträgt, und danach eine Kupfer als Hauptbestandteil enthaltende Schmelze eingeseigert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt so bemessen ist, dr n die Schrumpfung des Presslings
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