Verfahren zur Herstellung eines überwiegend aus Aluminium bestehenden Formlings. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines überwiegend aus Aluminium bestehenden, dichten und festen Formlings und einen nach diesem Verfahren erhaltenen Formling.
Es wurde bereits vorgeschlagen, einen dichten Werkstoff und gebrauchsfertige Form körper aus gepulvertem Aluminium herzustel len, das durch Pulverisieren von Aluminium brocken in Kugelmühlen oder durch Granu lieren oder Zerstäuben von Aluminium er halten wurde. Das Pressen und Sintern sol cher Aluminiumpulver war schwierig wegen der Oxyd- und Gasfilme, die sich an den Alu miniumkörnern bildeten.
Durch Pressen reinen Aluminiumpulvers einer durchschnittlichen Korngrösse von weni ger als 60 Mikron unter einem Druck von 1,500 bis 7,500 kg/cm2 kann ein Pressling er halten werden, der durch Sintern in trockenem gespaltenem Ammoniak während etwa 1 Stunde eine Zugfestigkeit von ungefähr 875 kg/cm' bei einer Dehnung von 48 % erhält; diese Festigkeit ist günstig im Vergleich mit der Zugfestigkeit von Gussaluminium von etwa 580 bis 875 kg/cm2 und von bearbeitetem Aluminium zwischen etwa 720 und 1080 kg/cm'.
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 einer gegossenen und ausge- glühten Aluminiumlegierung der Gattung Al-Cu-Mg, die eine Zugfestigkeit von 1540 bis 2160 kg/em2 besitzt, ist die Zugfestigkeit des gesinterten reinen Aluminiums unterlegen; die Dehnung des letzteren übertrifft aber erheb lich diejenige (15 bis<B>25%)</B> der erwähnten Aluminiumlegierung. Das Giessen von Alu minium und Aluminiumlegierungen ist aber sehr schwierig wegen des beinahe unvermeid lichen Einschlusses von Gasen.
Bei der Herstellung von Aluminiumlegie rungen der Gattung Al-Cu-Mg in einem pul- v er-metallurgischen Prozess, das heisst durch Mischen von Aluminiumpulver mit den pul verigen Legierungsbestandteilen, hauptsäch lich Kupfer, Magnesium, Mangan, manchmal auch Eisen, Silizium, Chrom und Nickel, letz tere in Mengen eines Bruchteils eines Prozen tes, Pressen und Sintern der Mischung, wurde die Bildung eines Eutektikums bei der Sinter temperatur beobachtet, welches den Pressling verdirbt.
Ebenso bildet sieh ein schädliches Eutektikum bei der Herstellung gesinterter Formkörper aus pulverigen fertigen Alumi niumlegierungen, z. B. der oben genannten Gattung, bei einer Sintertemperatur von 600 bis 605 C. In allen diesen Fällen muss daher eine niedrigere Sintertemperatur benutzt wer den, welche das Schmelzen des Pulvers aus schliesst, und die Sinterzeit muss entspre chend ausserordentlich verlängert werden. Dies macht das Verfahren unwirtschaftlich, und der gesinterte Werkstoff ist meistens un- zureichend fest und weist andere physikali sche Mängel auf.
Das erfindungsgemässe Verfahren geht darum von einer pulverigen Mischung an derer Zusammensetzung aus und ist dadurch gekennzeichnet, dass Aluminiumpulver und Aluiminiumlegierungspulver innig gemischt werden, die Mischung verpresst und der so ge bildete Pressling bei einer Temperatur zwi schen 580 und 615 C gesintert wird, bis die Aluminiumlegierung die Poren zwischen den Aluminiumpulverteilchen ausfüllt und sich mit diesen in oberflächlichen Schichten legiert, dass das Sintern aber unterbrochen wird,
bevor eine Homogenisierung durch Diffusion erfolgt. Es können also einerseits Partikel aus reinem Aluminium und anderseits deren Bindemittel aus Aluminiumlegierung erhalten bleiben, obwohl die Konzentration der Legie rungsbestandteile in dem Bindemittel verrin gert sein kann durch Absorption von Alumi- nium aus Oberflächenschichten der Alumi niumpartikel.
Der erhaltene Formling kann aus einem Netzwerk aus Aluminiumlegierung bestehen, welches den kleineren Gewichtsanteil des Formlings ausmacht und in welchem kleine Körner aus Aluminium in feiner Ver teilung eingebettet und mit ihm oberflächlich legiert sind.
Da die Festigkeit und andere physikali sche Eigenschaften der Aluminiumlegierung (Bindemittel) diejenigen reinen Aluminiums (Partikel oder Körner) meist wesentlich über treffen, erhöht das Bindemittel wesentlich die Festigkeit des erhaltenen Formlings. Durch oberflächliches Legieren, z. B. in Form eines Eutektikums, des Bindemittels mit den Alu- miniuunpartikeln kann die Durchschnitts festigkeit des Formkörpers zusätzlich er höht werden.
Der heterogene Formkörper ge mäss der Erfindung vereinigt darum die Fe stigkeit des Aluminiumlegierungs-Bindemit- tels mit der grossen Duktilität der reinen Alu miniumkörper und weist Eigenschaften auf, die bisher unbekannt waren bei gegossenen oder gesinterten Körpern, die überwiegend aus Aluminium bestehen.
Obwohl die Erfindung durch keine Theorie beschränkt sein will, scheinen bisher durch geführte 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 Bil dung einer Legierung oder eines Eutektikums zwischen dem Bindemittel und den Aussen schichten der Aluminiumpartikel fördert.
Selbst wenn keine solche flüssige Phase aus gebildet wird, kann eine oberflächliche Legie rungsbildung zwischen der erweichten Alumi- niumlegierung (Bindemittel) und den Alumi niumkörnern während des Sinterns erhalten werden durch Diffusion !in festen oder halb festen Zustand. Es ist wahrscheinlich, dass teils eine flüssige Phase des Bindemittels und teils Diffusion im festen Zustand zu der be obachteten festen und innigen Verbindung zwischen dem Bindemittel und den Alumi niumkörnern beitragen.
Auf jeden Fall kann ein Sinterkörper erhalten werden, der über wiegend aus Ahiminiumpartikeln oder -kör- nern besteht, die in Oberflächenschichten Le gierungsbestandteile des Bindemittels aus Aluminiumlegierung enthalten, ohne dass die Konzentration der Legierungsbestandteile im Bindemittel wesentlich verringert wird.
Für die Zwecke der Erfindung kann Alu- miniumpulver grosser Reinheit und beliebiger Herkunft, beispielsweise wie es auf dem Markte erhältlich ist, verwendet werden. Es kann, wenn nötig, reduziert und sodann mit einer pulverigen Aluminiumlegierung als Bindemittel innig gemischt werden.
Die ge presste Mischung kann unter Bedingungen ge sintert werden, welche das Eindringen des Bindemittels in alle Poren des Presslings und die oberflächliche Vereinigung zwischen dem Bindemittel mit den Aluminiumpartikeln sicherstellen, während Diffusion von Legie rungsbestandteilen des Bindemittels in grö ssere Tiefe der Aluminiumpartikel vermieden wird.
In andern Worten, die Diffusion von Legierungsbestandteilen in die Aluminium partikel kann auf oberflächliche Schichten der Aluminiumpartikel beschränkt werden, wobei die Konzentration der Alu miniumlegierungs- Bestandteile in den Aluminiumpartikeln von deren Oberflächen zu deren Innerem rasch abnimmt. In diesem Falle verbleibt in jedem Partikel zumindest ein innerer Kern, der von Legierungsbestandteilen frei ist. Anderseits wird die Konzentration der Legierungsbe standteile in dem Bindemittel aus Aluminium , legierung im wesentlichen aufrechterhalten.
Sollte sich eine flüssige oder halbflüssige Phase der Aluminiumlegierung während des Sin- terns bilden, besonders in Berührung mit Alu miniumpartikeln, so wird beim Abkühlen eine Legierung oder ein I:utektikum zwischen dem Bindemittel und den Aluminiumpartikeln gebildet., welche eine Zwischenphase zwischen diesen und dem Bindemittel ergibt.
Wie auch immer der Mechanismus der Verbindung des Bindemittels mit den Alumi niumpartikeln erklärt werden mag, der schliesslich erhaltene Körper besteht aus einer Unzahl von kleinen Aluminiumpartikeln oder Körnern des Aluminiumausgangspulvers (Alu miniumphase) und einer Aluminiumlegie- rungs-Bindemittel-Phase zwischen diesen Par tikeln, die praktisch alle Poren zwischen den Partikeln ausfüllt und mit diesen oberfläch lich, z. B. durch eine Zwischenlegierung oder ein Eutektikum, legiert ist.
Al-Cu-Mg-Legierungen, die vorzugsweise als Bindemittel benützt werden, bestehen ge wöhnlich aus 90"l" oder mehr Aluminium, Rest 3 bis 6% Kupfer, 0,3 bis 2"/o Magnesium und meistens 0,3 bis 0,5"/" Mangan, und in Aus nahmefällen bis zu 0,8% Eisen und 0,2 bis 1,5% Silizium. Zu einer Aluminium-Kupfer- Mangan-Magnesium-Legierung können noch 0,2 bis 1,3"/> Nickel und/oder Kobalt, oder ein Bruchteil eines Prozentes Chrom zugesetzt werden.
<I>Beispiel:</I> Reines Aluminiumpulver (Reinheit 99,5% oder mehr) oder gereinigtes Aluminiumpulver einer Korngrösse, die in der Hauptsache klei ner ist als 60 Mikron, wird mit Aluminium- legierungs-Pulver der oben erwähnten Zusam mensetzung in einer Kugelmühle oder sonst geeignet gemischt unter Bedingungen, die eine wesentliche Oxydierung des Aluminiums und den Einschluss unerwünschter, von dem 111ischgerät stammender Verunreinigungen ausschliessen.
Wenn gewünscht, wird ein nicht oxydierendes Schmiermittel zugemiseht und das Pulvergemisch unter einem Druck von 800 bis 8000 kg/cm2 geformt, wobei ein grösserer Druck einen Pressling grösserer Dichte ergibt. Der Pressling wird darnaeh gesintert, entweder in einer neutralen Atmo sphäre, wie z. B. trockenem, gespaltenem Am moniakgas, oder in Luft, während ungefähr einer Stunde bei 590 bis 615" C, vorzugsweise 600 C, und darnach entweder im Ofen ge kühlt, in einer Schutzatmosphäre oder in Luft, oder in kaltem Wasser abgeschreckt.
Wenn reines handelsübliches Aluminium pulver der erwähnten Korngrösse und handels übliches Aluminiumlegierungspulver der oben erwähnten Zusammensetzung in Verhältnissen von 98 bis 60"/o Aluminiumpulver und 2 bis 40"/o Aluminiumlegierungspulver gemischt werden, die Mischung unter etwa 3200 kg-;'cm2 gepresst und der Pressling in Luft eine Stunde bei 600" C gesintert, darauf in kaltem Wasser abgeschreckt wird, konnten folgende Zug prüfungsergebnisse erhalten werden.
Während eine gegossene und ausgeglühte AI-Cu-111g-Legierung der oben erwähnten Zu sammensetzung eine Zugfestigkeit von 1440 bis 2160 kgfcm2 und eine Dehnung von 15 bis 25"/" aufweist, weist ein gesinterter und abgeschreckter Pressling ans einer 111 isehung, die 80%" Aluminiumpulver enthält, eine Zug festigkeit von 1455 kg/cm' bei einer Deh nung von 20"l" auf; wenn die Ausgangs mischung 70"/" Aluminiumpulver enthält, wird eine Zugfestigkeit von 1765 kg/cm2 bei einer Dehnung von 18% beobachtet;
und wenn die Ausgangsmischung 90% Aluminiumpulver enthält und der Pressling nur eine halbe Stunde bei 600 C gesintert wird, kann eine Zugfestigkeit über 2160<B>kg/</B> cm2 beobachtet werden.
Hieraus ergibt sich, dass gemäss der Er findung ein Formling erhalten werden kann, dessen Zugfestigkeit diejenige gesinterten oder gegossenen Aluminiums erheblich über schreitet, während Zugfestigkeiten im Bereich einer gegossenen und ausgeglühten Al-Cu-Mg- Legierung der oben erwähnten Zusammen setzung und gleiche Dehnungen erhalten wer den; darüber hinaus ist das Produkt gemäss der Erfindung wesentlich frei von nachteili gen Gaseinschlüssen, die sonst in gegossenen Materialien enthalten sind.