Verfahren zur Herstellung von Metallgegenständen. In der industriellen Erzeugung von Ge brauchsgütern spielt die Fabrikation von Me tallteilen eine wichtige und entscheidende Rolle. Sie vollzieht sich auch heute noch im wesentlichen naeh Methoden, die schon jahr hundertelang bekannt und nur durch den Fortschritt der Technik laufend verbessert und vervollkommnet worden sind, ohne grund sätzliche Umwälzungen erfahren zu haben.
Stets wird im Prinzip aus den in der Natur vorkommenden Erzen zunächst das Metall ver schmolzen und dann beginnt die Formgebung der Teile. Dabei sind zwei verschiedene Wege gangbar. Wenn die Ansprüche an die Mass genauigkeit der Werkstiicke nietet sehr gross sind und man ausserdem mit relativ niedrigen Festigkeitswerten auskommen kann, begnügt man sich damit, das flüssige Metall in Formen zu vergiessen und nimmt nur notfalls eine Nachbearbeitung mit spanabhebenden Werk zeugen vor. Wenn dagegen hohe Qualität und Massgenauigkeit innerhalb enger Toleranzen nötig sind, ist der Aufwand zur Herstellung der Metallteile wesentlich grösser.
Es ist dann gewöhnlich notwendig, das flüssige Metall zu einem Block zu vergiessen und aus demselben durch Schmieden, Pressen oder Walzen bei er höhter Temperatur ein Metallhalbzeug herzu stellen. Erst dieses wird dann durch Bearbei tung mit Werkzeugmaschinen in die end gültige Form gebracht.
Die Fülle der notwendigen Bearbeitungen bringt es mit sich, dass der Kostenanteil des rollen Metalls an einem fertigen Metallgegen stand oft nur wenige Prozente ausmacht.
Die vorstehenden Darlegungen machen es verständlich, dass die Anlagen der Metall industrie zu den kompliziertesten und teuer sten in der Technik gehören.
Nun hat in den letzten Jahren die che mische Werkstoffherstellung grosse Fort schritte gemacht und mur Entwicklung von sogenannten Kunststoffen geführt. Dabei sind Verfahren beschrieben worden, bei denen di rekt aus den Rohstoffen durch einen Press- vorgang bei nur wenig erhöhter Temperatur der fertige Gegenstand hergestellt wird.
Dieser sehr verkürzte Weg zur Herstellung von Teilen aus Kunstharz hat auch in der Metallindustrie den Wunsch nach einfacheren Herstellungsverfahren verstärkt. Eine teil weise Erfüllung hat er in der Pulvermetallur gie Gefunden, wo aus Metallpulvern durch Pressen und Sintern einbaufertige Metall gegenstände fertigestellt werden. Hier liegt also schon ein Prozess vor, der mit der Technik der plastischen Massen vergleichbar ist. Aus den Erzen werden die Metallpulver hergestellt;, die dann durch Pressen und Sintern in homo- g ene Metallteile übergeführt werden.
Nun sind allerdings den pulvermetallur gischen Pressverfahren@enge Anwendungsgren zen gezogen, weil die -Metallpulver den Ge setzen der hvdrostatischen Drtiekfortpflanzun" nicht genügen; daher können auch Teile mit Unterschneidimgen, sehr komplizierten Ab- Sätzen und Querschnittsübergängen nicht her gestellt werden. Man hat zwar zahlreiche Ver suche unternommen, die Metallpulver zu pla- stifizieren und dadurch die Herstellung kom plizierterer Körper zu ermöglichen, aber prak tisch verwertbare Ergebnisse sind bisher nicht erzielt worden.
Die vorliegende Erfindung beschreibt nun einen ganz neuen Weg zur Herstellung von Metallteilen auch kompliziertester Form. Sie benutzt als Ausgangsprodukte Metallverbin dungen, die den Gesetzen der hydrostatischen Druckfortpflanzung viel eher gehorehen als Metallpulver. Ausserdem lassen sie sich zumeist bei viel niedrigeren Temperaturen durch Schmelzen und Giessen verarbeiten als die Me talle.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Her stellung von Metallgegenständen ist dadurch gekennzeichnet, dass aus mindestens eine re duzierbare Metallverbindung enthaltenden Ausgangsmaterialien Gegenstände geformt werden, die so hergestellten Formkörper zu Metallteilen reduziert werden und diese einer Nachverdichtung unterzogen werden.
Die Erfindung lässt sich in einer grossen Anzahl von Ausführungsarten verwirklichen, die sich in folgende drei Hauptgruppen unter teilen lassen: 1. Verarbeitung von Metallverbindungen durch Pressen.
2. Verarbeitung von Metallverbindungen durch Giessen.
3. Verarbeitung von Gemischen aus Metall verbindungen und Metallpulvern bzw. Metall spänen.
Im einzelnen kann bei der Herstellung von Metallgegenständen nach dem Verfahren der Erfindung folgendermassen vorgegangen wer den: Gruppe 1: Verarbeitung von Metallverbin- dungen <I>durch Pressen.</I> Während dass Verpres- sen von Metallpulvern infolge der Adhäsions kräfte, die die einzelnen Körner aufeinander ausüben, sehr grosse Kräfte benötigt, lassen sich kletal1salze oder Metalloxyde mit viel ge ringerem Kraftaufwand zu Formkörpern ver arbeiten. So sind z.
B. bei den meisten lletall-
EMI0002.0015
pulvern <SEP> Drücke <SEP> von <SEP> 3 <SEP> bis <SEP> 10 <SEP> Tonnen <SEP> pro <SEP> ein=
<tb> nötig, <SEP> um <SEP> einen <SEP> Körper <SEP> mit <SEP> einer <SEP> relativen
<tb> Dichte <SEP> von <SEP> 95 <SEP> % <SEP> zu <SEP> erzeugen. <SEP> Dagegen <SEP> lassen.
<tb> sich <SEP> die <SEP> Halogensalze <SEP> der <SEP> Bleiehen <SEP> -Metalle
<tb> sehon <SEP> mit <SEP> einem <SEP> Druck <SEP> von <SEP> 0,8 <SEP> bis <SEP> 1,\? <SEP> Tonnen
<tb> pro <SEP> ein= <SEP> zu <SEP> einem <SEP> Gegenstand <SEP> von <SEP> 95 <SEP> % <SEP> Dichte
<tb> verpressen. <SEP> Die <SEP> Oxyde <SEP> der <SEP> gleichen <SEP> Metalle
<tb> erfordern <SEP> einen <SEP> Druck <SEP> von <SEP> 1,8 <SEP> bis <SEP> \?,5 <SEP> Tonnen
<tb> pro <SEP> cm=.
<SEP> Es <SEP> hat <SEP> also <SEP> bedeutende <SEP> Vorteile, <SEP> die
<tb> erste <SEP> Formgebung <SEP> der <SEP> Gegenstände <SEP> in <SEP> einem
<tb> Zustand <SEP> vorzunehmen, <SEP> in <SEP> dein <SEP> das <SEP> Material
<tb> leicht <SEP> formbar <SEP> ist, <SEP> und <SEP> erst <SEP> dann <SEP> den <SEP> metal lisehen <SEP> Zustand <SEP> herzustellen. <SEP> Einmal <SEP> kann <SEP> die
<tb> Maschinenkapazität <SEP> besser <SEP> ausgenützt <SEP> werden
<tb> und <SEP> zum <SEP> andern <SEP> ist <SEP> der <SEP> Werkzeu-vei,schleil.'>
<tb> geringer. <SEP> Darüber <SEP> hinaus <SEP> können <SEP> einige <SEP> Sta dien <SEP> der <SEP> Metallpulverherstellung <SEP> vermieden
<tb> bzw.
<SEP> mit <SEP> der <SEP> Herstellung <SEP> der <SEP> Formteile <SEP> ge koppelt <SEP> werden.
<tb> Am <SEP> geeignetsten <SEP> für <SEP> die <SEP> Durehführung <SEP> des
<tb> Verfahrens <SEP> der <SEP> Erfindung <SEP> haben <SEP> sieh <SEP> bisher
<tb> die <SEP> Halogenverbindungen <SEP> und <SEP> die <SEP> Oxyde <SEP> der <SEP> ,
<tb> Metalle <SEP> erwiesen, <SEP> womit <SEP> jedoch <SEP> nicht, <SEP> gesagt
<tb> sein <SEP> soll, <SEP> da,ss <SEP> die <SEP> Anwendbarkeit <SEP> des <SEP> Verfah rens <SEP> auf <SEP> diese <SEP> besehränkt <SEP> ist. <SEP> llan <SEP> kann <SEP> aueli
<tb> Mischungen. <SEP> mehrerer <SEP> Metallverbindungen, <SEP> sei
<tb> es <SEP> von <SEP> dem <SEP> gleichen. <SEP> Metall <SEP> oder <SEP> zum <SEP> Zwecke
<tb> der <SEP> Legierungsbildung <SEP> von <SEP> versehiedenen <SEP> -Me tallen, <SEP> benützen.
<tb> In <SEP> der <SEP> ersten.
<SEP> Verfahrensstufe <SEP> werden <SEP> die
<tb> Metallverbindungen <SEP> bei <SEP> Ziminertem.peratur
<tb> oder <SEP> bei <SEP> erhöhter <SEP> Temperatur <SEP> zu <SEP> Formkörpern
<tb> verpresst. <SEP> In <SEP> der <SEP> zweiten <SEP> Verfahrensstufe <SEP> folgt
<tb> dann <SEP> die <SEP> Überführung-- <SEP> in <SEP> Metall <SEP> durch <SEP> eine
<tb> geeignete <SEP> chemische <SEP> Reaktion. <SEP> Bei <SEP> Haloz;
,en verbindungen <SEP> hat <SEP> sieh <SEP> .die <SEP> Reduktion <SEP> mit. <SEP> Was serstoff <SEP> bewährt. <SEP> Bei <SEP> Oxyden <SEP> kann <SEP> sowohl <SEP> die
<tb> Reduktion <SEP> mit <SEP> Wasserstoff <SEP> als <SEP> auch <SEP> die <SEP> mit
<tb> Generatorgas <SEP> zur <SEP> Anwendung <SEP> kommen. <SEP> Die
<tb> Reduktion <SEP> sollte <SEP> möglichst <SEP> vollständig <SEP> erfol gen, <SEP> so <SEP> dass <SEP> keine <SEP> erhebliche <SEP> Reste <SEP> der <SEP> Metall verbindung <SEP> zurückbleiben. <SEP> Der <SEP> hohe <SEP> Dichte unterschied <SEP> zwischen <SEP> den <SEP> Metallverbindungen
<tb> und <SEP> den <SEP> Metallen <SEP> führt.
<SEP> bei <SEP> der <SEP> Reduktion <SEP> zu
<tb> einem <SEP> starken <SEP> Schrumpfen, <SEP> insbesondere <SEP> wenn
<tb> sie <SEP> bei <SEP> hoher <SEP> Temperatur <SEP> vorgenommen <SEP> wird.
<tb> Diesem <SEP> Umstand <SEP> muss <SEP> bei <SEP> der <SEP> Bemessung <SEP> der
<tb> Formkörper <SEP> Rechnung <SEP> getragen <SEP> werden. Gleichzeitig oder nach der Umsetzung zu Me tall kann eine Vorsinterung vorgenommen werden. Nach dem Erkalten haben die so her gestellten Metallteile eine Dichte von 40 bis 50 %. Sie werden nun kalt oder warm auf ihre endgültige Dichte nachverdichtet und sofern es zur Steigerung der Festigkeit oder Zähig keit notwendig ist, einer weiteren Wärme- behandhung durch Sintern oder Normalisieren unterzogen.
Die Anwendung von zwei Ver dichtungsoperationen verlangt bei der Fest legung der Masse des Presslings aus der Me tallverbindung Berücksichtigung der Dichte unterschiede zwischen Metallverbindung und Metall. Um alsdann eine homogene Verdieh- tung bei Teilen mit verschiedenen Höhen in der Pressriehtung zu erreichen, müssen die Höhen am Vorpressling in dem Verhältnis ge presst werden, dass dem Diehteverhältnis zwi schen dem reduzierten Metallrohling und dem Fertigteil entspricht, so dass der ganze Press- ling auf die gleiche Dichte naehgepresst wird.
Die nachstehenden Ausführungsbeispiele mögen weitere Einzelheiten der Erfindung klarlegen.
Beispiel 1: Eine Mischung aus Kupfer-I-Chlorid und Eisen-II-Chlorid, bei der die Metalle Kupfer und Eisen im Verhältnis 35 % Kupfer und 65 % Eisen gemischt sind, wird mit einem Druck von 0,8 Tonnen pro cm2 zu Platten von 15 mm Höhe verpresst. Die Presslinge werden bei 400 beginnend zwei Stunden mit Wasser stoff reduziert. Während der Reduktion wird die Temperatur langsam auf 920 erhöht. Nach dem Erkalten werden die Platten mit Wasser gewaschen und mit einer Höhen abnahme von 40 % vorgewalzt. Sie werden dann bei 650 zwisehengeglüht und auf Band material von 1 mm Stärke fertiggewalzt. Das Endprodukt ist eine Kupfer-Eisen-Pseudo legierung von 40 kg pro mm2 Festigkeit und 6 % Dehnung.
Beispiel 2: Wasserfreies Eisen-II-Chlorid wird bei 150 zu flachen Bratpfannen verpresst. Dieselben werden bei 630 beginnend mit Wasserstoff reduziert. Während der Reduktion wird die Temperatur bis auf 1150o gesteigert. Nach dem Erkalten werden die Teile mit einem Druck von 8 Tonnen pro cm2 fertiggepresst und hier auf direkt emailliert. Die bei der Emaillierung auftretende hohe Temperatur dient gleich zeitig der Rekristallisation und endgültigen Verfestigung.
Beispiel 3: Eine Mischung aus Kupferoxyd und Mo- lvbdänoayd, in der die Metalle im Verhältnis 18 % Kupfer und 82 % Molvbdän vorhanden sind, wird zu Schaltstulpen für Hochspan nungsschalter verpresst. Hierauf werden die Presslinge bei 715 mit Wasserstoff zu Metall reduziert und bei 1100 drei Stunden vor gesintert. Schliesslich werden die Teile bei 750 fertiggepresst und zur Beseitigung der Zun derhaut kurzzeitig bei 1200 mit Wasserstoff nachgeglüht.
Gruppe 2: Verarbeitung von Metallverbin dungen durch Giessen. Die Schmelzpunkte zahlreicher Metallverbindungen liegen wesent lich niedriger als die der entsprechenden Me talle. So schmelzen z. B. die Chloride der wich tigsten Gebrauchsmetalle wie Eisen, Mangan, Nickel, Kobalt und Kupfer, alle unterhalb 800 , während die Schmelzpunkte der entspre- ehenden Metalle, mit. Ausnahme des Kupfers, das schon mit 1.083" :schmilzt, alle oberhalb 1200 liegen.
Während also die Schmelzpunkte der Metalle so hoch liegen, dass sie nicht mehr mit -Hilfe des Spritzgussverfahrens zu Form- stücken verarbeitet werden können, lassen sieh die Chloride der entsprechenden Metalle noch ohne weiteres nach dieser Technik verarbeiten. Man hat also die Möglichkeit, aus den Metaill- ehloriden Spritzgussteile von sehr komplizier ter Form herzustellen. Natürlich kann man auch jedes andere Giessverfahren zu ihrer Formgebung anwenden.
Die Umsetzung der Metallverbindung zu Metall imd die Weiter verarbeitung geschieht dann wie bereits bei Gruppe 1 beschrieben. Nur ist. bei der Ver arbeitung der Chloride besonders darauf n i achten, dass etwa. noch vorhandene Salzreste vor der Schlussverdiehtung entfernt. werden, da es sonst sehr leicht zu Korrosionsschäden an den fertigen Teilen kommen könnte. Die Entfernung der Salzreste geschieht am besten durch Waschen oder Extrahieren mit Wasser oder Alkohol. Die folgenden Ausführungsbei spiele beschreiben weitere Einzelheiten.
Beispiel 4: Eisen-II-Chlorid mit einem Zusatz von 2 % Kupferchlorid wird geschmolzen und bei 720 in Stahlformen zu Rohren von 1 m Länge und 35 mm lichter Weite vergossen. Die Rohre werden bei 630 mit Wasserstoff reduziert und nach beendeter Reduktion im gleichen Ar beitsgang bei 1100 zwei Stunden vorgesintert. Nach dem Erkalten werden die verbliebenen Salzrückstände mit Wasser ausgelaugt und die Rohre durch Kalthämmern auf eine Dichte von 7,7 verdichtet. Nach einer Glühung von 1050 besitzen sie eine Festigkeit von 45 kg pro mm2 und eine Dehnung von 12 %.
Beispiel 5: Eine Schmelze aus 88 % Eisen-II-Chlorid und 12 % Mangano-II-Chlorid wird bei 690 auf einer Spritzgussmaschine zu Zahnrädern verspritzt. Nach dem Entformen werden die selben bei 600 beginnend mit Wasserstoff reduziert. Während der Reduktion wird die Temperatur langsam bis auü 1100 gesteigert und gleichzeitig dem Gas Petroleumdampf zu gesetzt, um eine Aufkohhung der Presslinge zu erzielen. Nach beendigtem Reduktions-, Koh- lungs- und Vorsinterumgsprozess werden die Teile mit Wasser extrahiert und dann mit einem Druck von 8 Tonnen pro cm2 fertig gepresst. Es folgt eine Schlusssinterung von zwei Stunden Dauer bei 1120 .
Beispiel 6: Eine Mischung von Chloriden der drei Me talle, Eisen, Nickel, Molybdän, in der die Me talle im Verhältnis 20 zu 60 zu 20 vorhanden sind, wird geschmolzen und zu flachen Tafeln gegossen. Dieselben werden, beginnend bei 400 mit Wasserstoff, der mit Natriumdampf ge sättigt ist, reduziert. Die Reduktionstempera tur wird langsam auf 1100 gesteigert. Nach dem Erkalten wird die Metallplatte mit Alko hol extrahiert und dann bei 950 nachgewalzt. Nach einer Blankglühung unter Wasserstoff wird die Legierung kalt fertiggewalzt.
Gruppe 3: Verarbeitung ton Gemiselen aus Metallverbindungen und Metallpulvern bzw. Metallspänen. Die Dichte der nach Gruppe 1 oder 2 hergestellten Metallkörper vor der zweiten Verdichtung ist sehr niedrig und liegt bei etwa 40 bis 50 % der Diehte der kompakten Metalle. Es ist möglich, dadurch zu dichteren Körpern zu kommen, dass man nicht von reinen Metallverbindungen, sondern von Gemischen aus solchen mit Metallpulvern oder Metallspänen ausgeht. Die Einbusse an Form barkeit, die sieh dabei ergibt, ist nur gering, während die Dichte des Rohlings von 40 bis auf 70 % erhöht werden kann. Dur eh die che mische Reaktion, die bei der Umwandlung zu Metall eintritt, werden die zugesetzten Metall teilchen sehr fest in das Werkstüek eingebaut, so dass kein Festigkeitsverlust eintritt.
Für diese Verfahrensvariante seien die nachstehen den Ausführungsbeispiele angegeben.
Beispiel i: Eine Mischung aus 70 % Eisenpulver und 30% Eisen-II-Chlorid wird bei 750 in einer Spritzgussmaschine zu Buchsen vergossen. Nach dem Entformen werden dieselben bei 630 mit Wasserstoff zu Metall reduziert. Die Reduktionstemperatur wird langsam bis auf 1200 gesteigert. Nach dem Erkalten werden die Stücke mit Wasser gewaschen, naehgepresst (kalibriert) und in diesem Zustand direkt als Sinterlager verwendet.
Beispiel 8: Eine Mischinnig aus 25% Eisen-II-Chlorid und 75 % auf eine Korngrösse von etwa 0,5 mm zerkleinerten Drehspänen aus einem Kohlenstoffstahl mit 0,j5 % Kohlenstoff wird bei 7500 auf. einer Spritzgussmasehine zu Tür griffen verarbeitet. Naeh dem. Entformen wer den die Teile bei (i30" mit Wasserstoff redu ziert, wobei die Temperatur langsam auf 11000 erhöht wird.
Der auf diese Weise reduzierte rural vorgesinterte 3Ietallggegenstand wird naeli der Entfernung der verbliebenen Salzreste mit einem Druck von 8 Tonnen pro em2 nach- gepresst und bei 1220 während zwei Stunden fertiggesintert.
Die beiden letzten Anwendungsbeispiele zeigen, dass es auf diese Weise sehr leicht mög lich ist, aus heterogenen Mischungen von Me tallteilchen und Metallverbindungen homogene Metallgegenstände herzustellen.