Verfahren zur Herstellung von Leichtmetallkörpern und nach diesem Verfahren hergestellter Körper. Es ist bekannt, dass Aluminium und Alu miniumlegierungen besonders dank ihrem leichten Gewicht weit verbreitete Verwen dung finden. Das Beinaluminium besitzt allerdings nur geringe Festigkeit.
Im weich- geglühten Zustand beträgt die Zugfestigkeit 7-9 kg/mm' und die Brinellhärte 20 bis 2-5 kg/mm'. Durch Kaltverformung kann man die Zugfestigkeit bis auf 2'0- kg/min' und die Brinellhärte auf 40 kg/mm' erhöhen. Durch Zugabe anderer Elemente, wie Kup fer und Magnesium, kann man diese Festig keitswerte erhöhen.
Die erhaltenen Legie rungen sind zum Teil aushärtbar, d. h. man kann ihnen durch Lösungsglühen, Abschrek- ken und Lagern bei Raum- oder erhöhter Temperatur insbesondere eine erhöhte Zug festigkeit und eine erhöhte Brinellhärte ver leihen. Auf diese Weise gelingt es, Zug festigkeiten bis auf über 50 kg/mm' und Brinellhärten bis 15,0 kg/mm2 zu erreichen. In vielen Fällen, wo die Metallteile im Be trieb erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind, z.
B. über 200 C, kann mit diesen hohen Festigkeiten der Leichtmetallstücke nicht gerechnet werden, da sowohl durch Kaltbe arbeitung gehärtetes als auch durch Warm behandlung ausgehärtetes Material weich geglüht wird, wobei die Festigkeiten bis auf die entsprechenden Werte des weich- geglühten Materials herabsinken, beispiels weise bei den hochfesten Aluminiumlegie rungen der Gattung Al-Cu-Mg von 4'2, bis 58 kg!mm' Zugfestigkeit auf 1,
6-52 kg/mm'. Es. schien bis heute ausgeschlossen, leichte Aluminiumlegierungen .herzustellen, die ihre hohen Festigkeitseigenschaften durch eine Glühung auf beispielsweise 200-50'0'C nicht verlieren.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf ein Verfahren zur Herstellung von Leichtmetallkörpern mit einem spezifischen Gewicht von höchstens 5, vorzugsweise von höchstens 3, einer Zugfestigkeit von min de3tens 30 kg/mm' und einer Brinellhärte von mindestens & 0 kg@mm' auch im geglüh- ten Zustand. Diese Metallkörper werden durch Zusammenpressen und Sintern von Leichtmetallpulver, z. B.
Pulver aus Alumi nium oder Aluminiumlegierung, von einer solchen Feinheit hergestellt, dass bei min destens 50 Gewichtsprozent der Pulverteil chen wenigstens eine Dimension (bei Blätt chen z. B. die Dicke) weniger als 2 ;ic be trägt. Die Erfindung bezieht sich auch auf einen nach diesem Verfahren hergestellten Leichtmetallkörper.
Es war bekannt, dass man Metallpulver zusammenpressen und sintern kann, wobei feste Metallkörper erzeugt werden. Es war aber vollkommen unerwartet, dass .durch eine solche Behandlung z.
B. Pulver aus reinem Aluminium, einem Metall, welches durch Kaltbearbeitung eine Zugfestigkeit von höch stens ungefähr 2,0 kgimm2 erhalten kann, wobei dieser Wert auf unter 10 kg/mm' durch Weichglühen herabsinkt, zu festen Metallkörpern verarbeitet werden kann,
die eine Zugfestigkeit von beispielsweise 35 kg/ mm2 haben und diese auch nach einem Glü hen bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes, z. B. 600 , praktisch bei behalten. Das Aluminiumpulver kann dabei auf irgendeine geeignete Weise hergestellt worden sein, z.
B. durch Stampfen oder in der Kugelmühle. Die überraschende Tat sache, dass Reinaluminiumpulver Metallkör per hoher Zugfestigkeit und Härte liefern kann, ist möglicherweise auf den Einfluss der Teilchengrösse bezw. des das Pulver be deckenden Ogydfilms zurückzuführen. Das Aluminium kann auch fremde Elemente ent- halten, z. B.
Kupfer, Magnesium und Sili zium, mit andern Worten, man kann auch Pulver aus Aluminiumlegierungen benützen; die fremden Elemente können auch in ele mentarer Form oder in Verbindung unterein- and@er, oder in Form von pulverisierten, Alu minium enthaltenen Vorlegierungen dem Aluminiumpulver zugesetzt werden und sich mit diesem während des Sinterns durch Dif fusion legieren.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dem Leichtmetallpulver andere Stoffe zuzu setzen, solange das spezifische Gewicht von 5, vorzugsweise von 3, nicht überschritten und die Zugfestigkeit von 30 kg/mm\ sowie die Brinellhärte von 80 kg/mm\ im geglüh ten Zustand nicht unterschritten werden.
Das Verfahren lässt sich auf verschiedene Weise durchführen, z. B.: a) 1. Kaltvcrpressen; 2. Sintern; 3. Warmnachpressen. h) 1. Kaltvorpressen; 2. Warmnachpressen und Sintern. c) Warmpressen und Sintern. Selbstverständlich können andere Arbeits gänge eingeschaltet werden.
Beim Kaltvorpressen wendet man zweck- e mässig einen Druck von über 2 t./cm' an. Beim Warmpressen kann man bis zu dem für die Presswerkzeuge noch zulässigen Druck gehen.
Beim Warmpressen und Sintern wird die Temperatur zweckmässigerweise so- hoch sein, dass die gewünschte Beschaffenheit des Leichtmetallkörpers in wirtschaftlich trag barer Zeit erhalten wird. Anderseits darf ,die Temperatur nicht so hoch sein, dass schliesslich ein Gussstück statt ein Sinter körper erhalten wird, denn Gussstücke kön nen die angegebenen hohen Festigkeiten nicht erreichen. Die Temperatur soll z. B. mit Vorteil mindestens 400 C betragen; ein sehr günstiger Wert ist 5,50-600, C.
Die Dauer der Pressung und des Sinterns kann je nach Temperatur und nach der ge wünschten Beschaffenheit des Leichtmetall körpers in weiten Grenzen schwanken. Je höher die Temperatur, um so kürzer kann die Dauer sein. Die Temperatur hat auch einen Einfluss auf die Pressung, denn je höher sie ist, um so leichter lässt sich der Körper zusammenpressen.
Das Warmpressen kann von einer beson deren Formgebung begleitet sein, so dass Körper erhalten werden, die keiner Nach bearbeitung oder einer nur geringen Nach bearbeitung bedürfen.
Beispiel <I>1:</I> Reinaluminiumpulver, dessen sämtliche Teilchen mindestens in einer Dimension klei ner a116 1 A waren, wurde kalt vorgepresst und anschliessend bei 600 C unter einenn Druck von 6 t/cm2, der 1 Min. aufrecht erhalten wurde, zu festen Metallkörpern ge presst. Diese wiesen folgende Eigenschaften auf:
EMI0002.0058
Einige auf diese Weise erhaltenen Kör per wurden 48 Std. bei 6310 C geglüht und < . nach dem Abkühlen wieder geprüft.
Die Festigkeiten waren dieselben wie vor dem Glühen. . - Bei andern in bleicher Weise hergestell ten Körpern wurde nach Glühungen bei 2100 und 400 C während 28 Tagen ebenfalls keine Änderung der Festigkeiten festgestellt.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sich die nach dem Verfahren gemäss der Erfindung hergestellten Leiehtmetallkörper bei erhöhter Temperatur, z. B. 450 C, warm verformen lassen, z. B. durch Strang "pressen.
Eine solche nachträgliche Warmverformung hat auch den Vorteil, dass infolge der starken Durohknetung die Dichte des Körpers in den meisten Fällen noch erhöht wird, und zwar auf einen Wert, der ohne Verformung nur durch übermässig lange Warmpressung er zielt werden kann.
Beispiel <I>2:</I> Durch Kaltvorpressen und anschliessendes Warmpressen (bei 600 C) von Reinalumi- niumpulver von einer solchen Feinheit, dass bei allen Pulverteilchen mindestens eine Di- mension weniger als 1;r,@ betrug, wurden unter einem Druck von 6 t/cm' während etwa 1 Min. Körper von einer Dichte von 2,? erhalten. Diese Dichte kann durch län geres Pressen bei hoher Temperatur bis prak- .
tis.ch auf 2,7 (dem spezifischen Gewicht des Aluminiums) erhöht werden, doch wird das Erzeugnis dadurch erheblich verteuert. Wird aber der Presskörper z. B. in der Strang presse zu einer Stange verformt, so kann die höhere Dichte in verhältnismässig kurzer Zeit erreicht werden, so dass das. Erzeugnis in bedeutend wirtschaftlicher Weise her gestellt wird als .durch längeres Warmpres sen.
So wurden einige .der nach diesem Bei spiel erhaltenen Körper bei 450 C durch Strangpressen durch eine Matrize von 15 mm Durchmesser auf eine Dichte von 2-,7 ge bracht; gleichzeitig wurde auch die Dehnung verbessert, während Streckgrenze, Zugfestig- k eit und Brinellhärte praktisch unverändert blieben.
Die Festigkeiten waren dann fol gende:
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Einige der nach Beispiel 2 erhaltenen Körper wurden nach dem Strang-pressen während verschieden langer Zeit Temperatu ren von 200, 400 und 630 C ausgesetzt, ohne Mass eine Änderung der Festigkeiten beob achtet werden konnte. Zur Feststellung der Verhältnisse nach einer Kaltverformung wurden ferner einige in ähnlicher Weise wie im. Beispiel 2 hergestellte Körper mit Hilfe einer Ziehdüse um etwa 7 % kalt herunter gezogen und dann 14 Std. bei 500 C geglüht.
Es wurden an einer Stange folgende Festig- keiten uemessen:
EMI0003.0046
stranggepresst <SEP> kaltgezogen <SEP> geglüht
<tb> Streckgrenze <SEP> kg <SEP> /mm= <SEP> 25,7 <SEP> 34,3 <SEP> 28,9
<tb> Zugfestigkeit <SEP> 3,53 <SEP> 37,2 <SEP> 37,0
<tb> Dehnung <SEP> (d <SEP> 10) <SEP> 5,0% <SEP> 1,0% <SEP> 2,5%
<tb> Brinellhärte <SEP> kg <SEP> /mm' <SEP> 85 <SEP> 9.1 <SEP> 911 Wie ersichtlich, bewirkt eine Kaltreckung ein leichtes. Ansteigen von Streckgrenze und. Zugfestigkeit, während die Dehnung zurück geht.
Die darauffolgende. Glühung ver- ursaeht nur eine Kristallerholung, nicht aber eine Rekristallisation, was durch rönt genographische Untersuchungen bestätigt wurde.
Die Leichtmetallkörper nach der Erfin dung haben nicht nur eine höhere Streck- grenze, eine höhere Zugfestigkeit und eine höhere Härte bei Raumtemperatur, sondern auch bei erhöhter Temperatur, wie... z. B. aus folgender Zahlentafel hervorgeht:
EMI0004.0003
Es ist noch zu erwähnen, dass die erfin dungsgemässen Leichtmetallkörper eine ver hältnismässig hohe elektrische und ther- mische Leitfähigkeit im Vergleich zu Alu miniumlegierungen mit ähnlichen Fertig keiten bei Raumtemperatur besitzen.
Ausser dem liegt der Wärme-Ausdehnungs-Koeffi- zient vorwiegend an der untern Grenze der für Aluminium-Kolben-Legierungen gelten den Werte.
Durch Zusatz von bestimmten Fremd metallpulvern zu Aluminiumpulver oder durch Verwendung von pulverisierten Alumi niumlegierungen kann man nach dem erfin dungsgemässen Verfahren LeichtmetaltIlkörper. erhalten, .die sich durch Wärmebehandlung (Glühen, Abschrecken und gegebenenfalls Warmauslagern) aushärten (vergüten) las sen, wobei für die Streckgrenze, die Zug festigkeit und die Bminellhärte Werte erzielt werden,
welche die der aus Reinaluminium- pulver hergestellten Körper übersteigen.
Die gleichzeitige Verwendung von Pul vern verschiedener Zusammensetzung ermög licht die Herstellung von Körpern mit un gleichmässig verteilten Eigenschaften, was beispielsweise bei Kolben für Brennkraft- masohinen oft erwünscht ist, da der Kolben boden andern Beanspruchungen unterworfen wird als der Kolbenmantel.
Eine Erhöhung des Ogydgehaltes des Leichtmetallpulvers bewirkt eine Erhöhung der Härte, wogegen Streckgrenze und Zug festigkeit abnehmen. Man hat es z. B. in der Hand, durch Verwendung von Aluminium- pulvern verschiedenen Oxydgehaltes Press- körper herzustellen, die eine härtere Ober fläche und einen zugfesteren Kern besitzen. Man kann auch z. B.
Pulver mit einlheit- liohem Oxydgehalt verwenden und: den vor gepressten Körper durch geeignete Behand lung im Oberflächenbereich an Oxyd anrei- chexn.
Das Leichtmetallpulver kann trocken be nützt werden. Es kann aber vorteilhaft sein, ,es mit einem flüssigen Stoff, z. B. mit Wasser, anzurühren und in teigiger Form der Presse zuzuführen. Es ist meistens nicht notwendig, die Verarbeitung in einer beson- deren Atmosphäre durchzuführen, doch kann ,die Anwendung einer solchen unter Umstän den zweckmässig sein, z. B. wenn man dem Oberflächenbereich des Körpers abgeänderte Eigenschaften erteilen will.
Um eine weiter gehende Oxydation zu verhindern, kann es zweckmässig sein, den Körper unter einer Schutzgasatmosphäre, z. B. von Wasserstoff oder Stickstoff, herzustellen, insbesondere zu sintern und zu pressen. Es ist selbstver ständlich möglich, die Herstellung des Leichtmetallkörpers ganz oder teilweise bei Unterdruck oder bei Überdruck durebzu- führen.
Die nach dem Verfahren gemäss der Er findung 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 Brennkraftmasehinen und Kol benringe.
Process for the production of light metal bodies and bodies produced by this process. It is known that aluminum and aluminum alloys are widely used thanks to their light weight. The leg aluminum, however, has little strength.
In the soft-annealed condition, the tensile strength is 7-9 kg / mm 'and the Brinell hardness is 20 to 2-5 kg / mm'. The tensile strength can be increased to 2'0 kg / min 'and the Brinell hardness to 40 kg / mm' by cold forming. These strength values can be increased by adding other elements, such as copper and magnesium.
Some of the alloys obtained can be hardened; H. They can be given an increased tensile strength and an increased Brinell hardness through solution annealing, quenching and storage at room or elevated temperature. In this way it is possible to achieve tensile strengths of over 50 kg / mm 'and Brinell hardnesses of up to 15.0 kg / mm2. In many cases where the metal parts are exposed to elevated temperatures in operation, e.g.
B. over 200 C, these high strengths of the light metal pieces cannot be expected, since both cold-worked and heat-cured material are soft-annealed, with the strengths dropping to the corresponding values of the soft-annealed material, for example for high-strength aluminum alloys of the type Al-Cu-Mg from 4'2, up to 58 kg! mm 'tensile strength to 1,
6-52 kg / mm '. It. Until now it seemed impossible to manufacture lightweight aluminum alloys that do not lose their high strength properties through annealing to, for example, 200-50'0'C.
The present invention relates to a process for the production of light metal bodies with a specific weight of at most 5, preferably at most 3, a tensile strength of at least 30 kg / mm 'and a Brinell hardness of at least & 0 kg @ mm' also in the annealed - th state. These metal bodies are made by pressing and sintering light metal powder, e.g. B.
Powder made of aluminum or aluminum alloy, manufactured with such a fineness that with at least 50 percent by weight of the powder particles, at least one dimension (in the case of leaves, e.g. the thickness) is less than 2; ic. The invention also relates to a light metal body produced by this method.
It was known that metal powder can be compressed and sintered to produce solid metal bodies. But it was completely unexpected that such a treatment z.
B. Powder made of pure aluminum, a metal which can be processed into solid metal bodies by cold working, a tensile strength of at least approximately 2.0 kgimm2, whereby this value drops to below 10 kg / mm 'by means of soft annealing,
which have a tensile strength of, for example, 35 kg / mm2 and this also after a Glü hen at a temperature below the melting point, z. B. 600, keep practically at. The aluminum powder may have been produced in any suitable manner, e.g.
B. by pounding or in the ball mill. The surprising fact that pure aluminum powder Metallkör can deliver by high tensile strength and hardness is possibly due to the influence of the particle size or. of the Ogydfilms covering the powder. The aluminum can also contain foreign elements, e.g. B.
Copper, magnesium and silicon, in other words, aluminum alloy powders can also be used; the foreign elements can also be added to the aluminum powder in elementary form or in combination with one another or in the form of powdered master alloys containing aluminum and alloy with it during sintering by diffusion.
Of course, it is also possible to add other substances to the light metal powder, as long as the specific weight does not exceed 5, preferably 3, and the tensile strength of 30 kg / mm \ and the Brinell hardness of 80 kg / mm \ in the annealed state are not undercut will.
The method can be carried out in several ways, e.g. E.g .: a) 1. Cold pressing; 2. sintering; 3. Hot repressing. h) 1. cold pre-pressing; 2. Hot repressing and sintering. c) hot pressing and sintering. Of course, other work processes can be switched on.
When cold pre-pressing, it is advisable to use a pressure of over 2 t / cm '. During hot pressing, you can go up to the pressure that is still permissible for the pressing tools.
During hot pressing and sintering, the temperature will expediently be so high that the desired quality of the light metal body is obtained in an economically viable time. On the other hand, the temperature must not be so high that a casting is ultimately obtained instead of a sintered body, because castings cannot achieve the specified high strengths. The temperature should z. B. advantageously at least 400 C; a very favorable value is 5.50-600, C.
The duration of the pressing and sintering can vary within wide limits depending on the temperature and the desired nature of the light metal body. The higher the temperature, the shorter the duration can be. The temperature also has an influence on the compression, because the higher it is, the easier it is for the body to compress.
The hot pressing can be accompanied by a special shaping, so that bodies are obtained that do not require any post-processing or only minimal post-processing.
Example <I> 1 </I> Pure aluminum powder, all of the particles of which were at least one dimension smaller than a116 1 A, was cold pre-pressed and then at 600 C under a pressure of 6 t / cm2, which was maintained for 1 minute , pressed into solid metal bodies. These had the following properties:
EMI0002.0058
Some bodies obtained in this way were annealed for 48 hours at 6310 C and <. checked again after cooling.
The strengths were the same as before the annealing. . - In other bodies produced in a pale manner, no change in strength was found after annealing at 2100 and 400 C for 28 days.
It has surprisingly been shown that the light metal bodies produced by the method according to the invention are at elevated temperature, e.g. B. 450 C, let deform warm, z. B. by strand "press.
Such subsequent hot deformation also has the advantage that, due to the strong Durohknetung, the density of the body is increased in most cases, to a value that can only be achieved without deformation by excessively long hot pressing.
Example <I> 2: </I> By cold pre-pressing and subsequent hot pressing (at 600 ° C.) pure aluminum powder of such a fineness that at least one dimension of all powder particles was less than 1; r, @, were under one Pressure of 6 t / cm 'for about 1 min. Body with a density of 2,? receive. This density can be increased to practically by longer pressing at high temperature.
tis.ch can be increased to 2.7 (the specific weight of the aluminum), but this makes the product considerably more expensive. But if the press body z. B. deformed into a rod in the extrusion press, the higher density can be achieved in a relatively short time, so that the product is made in a significantly more economical manner than .by longer hot pressing sen.
For example, some of the bodies obtained according to this example were brought to a density of 2, 7 ge at 450 C by extrusion through a die 15 mm in diameter; At the same time, the elongation was improved, while the yield point, tensile strength and Brinell hardness remained practically unchanged.
The strengths were then as follows:
EMI0003.0038
After extrusion, some of the bodies obtained according to Example 2 were exposed to temperatures of 200, 400 and 630 ° C. for different periods of time, without any change in strength being observed. To determine the conditions after cold working, some were also used in a manner similar to that in. Example 2 produced bodies drawn down cold by about 7% with the aid of a drawing nozzle and then annealed at 500 ° C. for 14 hours.
The following strengths were measured on a rod:
EMI0003.0046
extruded <SEP> cold drawn <SEP> annealed
<tb> Yield point <SEP> kg <SEP> / mm = <SEP> 25.7 <SEP> 34.3 <SEP> 28.9
<tb> Tensile strength <SEP> 3.53 <SEP> 37.2 <SEP> 37.0
<tb> Elongation <SEP> (d <SEP> 10) <SEP> 5.0% <SEP> 1.0% <SEP> 2.5%
<tb> Brinell hardness <SEP> kg <SEP> / mm '<SEP> 85 <SEP> 9.1 <SEP> 911 As can be seen, cold stretching causes a slight. Increase in yield point and. Tensile strength as elongation decreases.
The following. Annealing only causes crystal recovery, but not recrystallization, which has been confirmed by X-ray genographic examinations.
The light metal bodies according to the invention not only have a higher yield strength, a higher tensile strength and a higher hardness at room temperature, but also at higher temperatures, such as. B. can be seen from the following number table:
EMI0004.0003
It should also be mentioned that the light metal bodies according to the invention have a relatively high electrical and thermal conductivity compared to aluminum alloys with similar properties at room temperature.
In addition, the coefficient of thermal expansion is mainly at the lower limit of the values that apply to aluminum piston alloys.
By adding certain foreign metal powders to aluminum powder or by using pulverized aluminum alloys, light metal bodies can be produced using the process according to the invention. which can be hardened (quenched and tempered) by heat treatment (annealing, quenching and, if necessary, artificial aging), whereby values are achieved for the yield point, tensile strength and Bminell hardness,
which exceed those of bodies made from pure aluminum powder.
The simultaneous use of powders of different compositions enables the production of bodies with unevenly distributed properties, which is often desirable for pistons for internal combustion engines, for example, since the piston crown is subjected to different stresses than the piston skirt.
An increase in the Ogyd content of the light metal powder causes an increase in hardness, whereas the yield point and tensile strength decrease. One has it z. For example, in the hand, by using aluminum powders with different oxide contents, compacts with a harder surface and a core with more tensile strength can be produced. You can also z. B.
Use powder with a uniform oxide content and: Enrich the pre-pressed body with oxide by suitable treatment in the surface area.
The light metal powder can be used dry. But it can be advantageous, it with a liquid substance, z. B. with water to stir and feed in doughy form of the press. It is usually not necessary to carry out the processing in a special atmosphere, but it may be useful to use such an atmosphere, e.g. B. if you want to give the surface area of the body modified properties.
To prevent further oxidation, it may be useful to place the body under a protective gas atmosphere, e.g. B. of hydrogen or nitrogen to produce, in particular to sinter and press. It is of course possible to perform the production of the light metal body in whole or in part under negative pressure or under positive pressure.
The metal bodies produced by the method according to the invention are suitable, for. B. excellent for those purposes in which high strengths are required and high temperatures, z. B. benringe for pistons of Brennkraftmasehinen and Kol.