Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers und nach diesem Verfahren hergestellter Formkörper. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur I3erstellung eines Formkörpers und einen nach diesem Verfahren hergestell ten Formkörper.
Es ist schon vorgeschlagen worden, Eisen pulver, das bis zu 1,7 /o Kohlenstoff enthalten kann, zu einem Skelettkörper von 35 bis 101/o Porosität zu pressen und in diesen eine Schmelze von Kupfer oder einer Kupferlegie rung einzusaigern, so dass beim Kühlen ein Verbundwerkstoff oder Formkörper grösserer Dichte, glatter Oberfläche und weiterer er wünschten Eigenschaften erhalten wird. Der gepresste Skelettkörper kann dabei kurzzeitig bei 900 bis<B>11001</B> C vorgesintert werden, um seine Festigkeit zu erhöhen und ihn auf eine gewünschte geringere Porosität zu schrump fen.
Es wurde gefunden, dass ein Skelettkör per aus reinem Eisen beim Vorsintern bei den angegebenen Temperaturen weniger schrumpft als ein Skelettkörper, der Kohlenstoff bis zu 1,7% enthält. Es wurde ferner gefunden, dass sich beim Einsaigern von Kupfer oder einer Kupferlegierung der Skelettkörper aus dehnt,
vielleicht weil das Infiltrat und der Skelettkörper Gase entwickeln und vielleicht weil < las flüssige Infiltrat einen gewissen Druck im Innern des Skelettkörpers ausübt. Wenn geschmolzenes Kupfer oder eine Kup ferlegierung gegebener Temperatur in Skelett körper verschiedener Zusammensetzung, Form und Porosität eingesaigert werden, schwankt die Ausdehnung in Abhängigkeit von der Tem peratur des Infiltrats und dem Porenvolumen, welches ausgefüllt wird.
Auch Skelettkörper gleicher Zusammensetzung, Form und Porosi- tät werden beim Einsaigern desselben Infil- trats Ausdehnungen aufweisen, die gering fügig schwanken ( streuen ).
Es wurde ferner gefunden, dass ein ge- pr esster Skelettkörper aus reinem Eisen nur wenig schrumpft, während des Vorsinterns und seine Ausdehnung während des Einsai- gerns immer grösser ist als diese voraus gehende Schrumpfung. Die Aussenmasse des infiltrierten Körpers werden in diesem Fall darum stets diejenigen des Presslings über schreiten und grösser sein als die Aussenmasse der Form, in welcher das Pulver verpresst wurde. Die Ausdehnung schwankt mit der Menge, Art und Temperatur des Infiltrates.
Wenn der Skelettkörper aus Eisenpulver mit beispielsweise 1% Kohlenstoffgehalt vor- gesintert wird, in gleicher @Z''eise wie ein Pressling gleicher 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 Kupfer legierung wird die früher erfolgte Schrump fung nicht vollständig ausgleichen und keines falls übersehreiten, so dass die Aussenmasse des abgekühlten,
infiltrierten Körpers gerin- ger sind als diejenigen des Presslings und der Form, in welcher der letztere hergestellt wurde.
Das erfindungsgemässe Verfahren, bei wel chem Eisenpulver, und zwar vorteilhaft koh lenstoffhaltiges Eisenpulver, zu einem porösen Skelettkörper gepresst und vorgesintert wird, und darnach eine mindestens zum grössten Teil Kupfer enthaltende Schmelze in den Ske lettkörper eingesaigert wird, ist dadurch ge kennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt des eisenhaltigen Skelettes so bemessen wird, dass die Schrumpfung des Presslings beim Vorsin- tern und seine darauffolgende Ausdehnung beim Einsaigern einen Körper von vorbe stimmten Aussenmassen ergibt.
Vorteilhaft soll dabei die Porbsität des Skelettkörpers nach dem Pressen und Vorsintern 35 bis 10 % betragen. Der nach diesem Verfahren erhaltene Formkörper ist dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Eisen und Kohlenstoff enthal tenden Netzwerk besteht, das von einem haupt sächlich aus Kupfer bestehenden weiteren Netzwerk durchsetzt und oberflächlich mit diesem legiert ist.
Die Abmessungen und die Gestalt des erhaltenen Formkörpers können derart innerhalb enger Grenzen den Abmes sungen und der Form des gepressten Skelett körpers angeglichen werden.
Die Wirkung des erfindungsgemässen Ver fahrens auf die Schrumpfungsverhältnisse ist an einigen Beispielen in der Fig. 1 schematisch erläutert, in welcher die Abszisse auf der rechten Seite des 0-,Punktes die Ausdehnung und auf seiner linken Seite die Schrumpfung in cm/cm darstellt, bestimmt für eine lineare Abmessung des fertigen Körpers und hier spezifische Ausdehnung bzw. spezifische Schrumpfung genannt. Die Ordinate zeigt, positive und negative Streuungen der spezifi schen Ausdehnung bzw. Schrumpfung. Wenn z. B.
Skelettkörper aus marktgängigem reinem Eisenpulver unter verschiedenen Drücken ge presst werden und darum verschiedene anfäng liche Porosität aufweisen und darnach wäh rend einer kurzen Zeitspanne zwischen 900 und 11000 C in einer reduzierenden oder inerten Atmosphäre vorgesintert werden, schrumpfen sie nur wenig.
Nach dem Einsaigern einer Kupferlegierung aus etwa 901/o Kupfer, 51/o Eisen und 5 % Mangan und Kühlung im Ofen erweisen sich die Körper grösser als die an fänglichen Ausmasse der Presslinge. Wenn die Porosität des vorgesinterten Skelettkörpers 251/o betrug, ist die spezifische Ausdehnung ungefähr 0,
012 cm/cm und liegt innerhalb des Bereiches B im Diagramm der Fig.1. Weiter hin streuen die resultierenden Ausdehnun gen einer. Reihe von Skelettkörpern unterein ander gleicher Porosität und Abmessungen, wie aus dem Diagramm (Ordinate) ersichtlich, zwischen plus/minus 0,0008. Bei einer durch schnittlichen spezifischen Ausdehnung von 0,012 schwankt darum die endliche spezifische Ausdehnung der eingesaigerten Körper zwi schen 0,0128 und 0,0112.
Die beiden letzt genannten Masse bilden die Grenzen der Aus dehnung der unter gleichen Bedingungen vor gesinterten Skelettkörper gegebener Zusam mensetzung und Porosität, in die eine ge schmolzene Kupferlegierung gegebener Zu sammensetzung und Temperatur eingesaigert wird.
Wurde in die gleiche Art von Skelett körpern aus marktgängigem reinem Eisenpul ver eine andere geschmolzene Kupferlegierung eingesaigert, so betrug die durchschnittliche spezifische Ausdehnung 0,02 innerhalb des Bereiches C, und die Streuung zwischen den Linien a, b betrug zwischen plus 0,00135 und minus 0,00135;
die Linien a, b (die gering fügig gebogen sein können, anstatt gerade zu verlaufen, wenn Skelettkörper verschiedener Zusammensetzung und Porosität in Betracht kommen) zeigen die Grenzen der positiven und negativen Streuung als Ordinaten und lassen erkennen, dass die prozentualen Werte der spezifischen Streuungen mit wachsender durchschnittlicher Ausdehnung gleichfalls grösser werden.
Wird an Stelle marktgängigen reinen Ei senpulvers ein schwedisches reineres, kohlen stoffarmes Eisenpulver gleicherDurchschnitts- Korngrösse zur Herstellung des Skelettkörpers benutzt, so werden unter sonst gleichen Be- dingungen noch grössere durchschnittliche spezifische Ausdehnungen des Körpers inner halb des Bereiches C in Fig.1 beobachtet, und diese Ausdehnungen weisen Streuungen in entsprechend grösserem Masse zwischen den Linien a, b auf.
So wurde zum Beispiel eine spezifische Ausdehnung eines Skelettkörpers aus reinem schwedischem Eisen (von 25% Porosität und infiltriert mit einer geschmol zenen Kupferlegierung) von 0,011 und eine Streuung von plus/minus 0,0001 beobachtet. Wurde eine andere geschmolzene Kupferlegie rung verwendet, so betrug die spezifische Aus dehnung 0,013 und die Streuung plus/minus 0,00013. Diese zwei letzten Beispiele stehen mit den in Fig. 1 dargestellten Werten nicht in Zusammenhang.
Wenn der Skelettkörper aus einer Mi- schung reinen Eisenpulvers und 1% pulveri- gen Graphits hergestellt und vorgesintert wurde, so dass eine Porosität von 25 % erhal- ten wurde,
wurde wiederum eine Schrump fung sowie eine Verbindung des zugegebenen Graphits mit dem Eisen des Eisenpulvers be obachtet, so dass beim Kühlen eine Eutektoid- Stahlstruktur erhalten wurde; einiger Gra phit geht während der Erhitzung verloren, so dass der Skelettkörper schliesslich etwa 0,8% Kohlenstoff enthält.
Nach dem Infiltrieren der geschmolzenen Kupferlegierung dehnt sich der Körper aus, jedoch nicht in solchem Masse, dass die vorhergehende Schrumpfung ausgeglichen oder überschritten wird, und der fertige Körper hat darum kleinere Ausmasse als der poröse Pressling und die Form, in wel cher er hergestellt worden war. Abhängig von den Bedingungen des Pressens, der durch schnittlichen Korngrösse des Ausgangspulvers, des Vorsinterns und des Einsaigerns wurden spezifische Schrumpfungen bis zu 0,016 beob achtet; wiederum war die spezifische Schrump fung nicht konstant für eine gegebene Gestalt des Formkörpers gegebener Zusammenset zung, sondern schwankte oder streute, und zwar bei manchen Körpern in grösserem und andern in geringerem Masse (positive bzw.
negative Streuungen). Mit verschiedenen Men gen zugegebenen Kohlenstoffes, verschiedenen Arten von Eisenpulvern, verschiedenen Press- drücken und Bedingungen des Sinterns wur den Schrumpfungen des infiltrierten Körpers innerhalb des Bereiches D beobachtet.
Schwe- disches Eisenpulver mit 1% Graphit, ver- presst zti Skelettkörpern von 2511/o Porosität und infiltriert mit einer geschmolzenen Kup ferlegierung, ergaben eine durchschnittliche spezifische Schrumpfung von 0,0012 und Streuung zwischen plus 0,0008 und minus 0,0009.
Aus diesen Beobachtungen ist, der Schluss zu ziehen, dass durch die Zugabe bemessener Mengen Kohlenstoffes zu dem Eisenpulver entweder eine vorbestimmte Ausdehnung oder Zusammenziehung (Schrumpfung) des fer tigen infiltrierten Formkörpers erzielt werden kann, oder dass ein praktisch vollkommener Ausgleich zwischen der Ausdehnung und Schrumpfung erhalten werden kann.
Beispielsweise durch Zumischung von 0,7% Kohlenstoff in Form feinverteilten Gra- phits, der auch als Schmierung während des Pressens wirkt, zu marktgängigem reinem Ei senpulver kann nach dem Vorsintern und In filtrieren ein durchschnittlicher Kohlenstoff- gehalt von 0,4 bis 0,
5 % erhalten werden; der Kohlenstoff verbindet sich mit dem Eisen und erteilt dem Körper eine stahlartige Struktur. Die Änderungen der Abmessungen des Press- lings während des Vorsinterns (Schrump fung) und darauffolgenden Infiltrierens (Ausdehnung) ergaben eine Mittelstellung zwischen den Bereichen<I>B</I> und<I>D</I> in Fig. 1.
Die Schrumpfung während des Vorsinterns ist ausgeglichen durch die nachfolgende Ausdeh nung während des Infiltrier ens, und die end gültigen Masse des infiltrierten Körpers sind diejenigen des porösen Presslings, welcher aus der Form ausgeworfen wurde. Dieses Ergeb nis ist in dem Diagramm der Fig. 1 durch den 0-Punkt dargestellt, das heisst, ohne eine posi tive oder negative Streuung.
Demnach kann durch geeignete Bemessung des zugegebenen Kohlenstoffes zu einer gegebenen Art von Eisenpulver erreicht werden, dass der infil trierte Körper dieselben Abmessungen besitzt wie die Pressform, Wenn schwedisches Eisenpulver benutzt wird, wird der zugegebene Kohlenstoffgehalt beispielsweise 0,5 bis 0,61/o betragen,
so dass die kleinere Schrumpfung reinen schwedischen Eisenpulvers beim Vorsintern durch die an wesende Kohlenstoffmenge vergrössert und durch die Ausdehnung während des Infiltrie- r ens ausgeglichen werden kann.
So ist es klar, dass es durch geeignete Be messung des Kohlenstoffgehaltes der eisenhal tigen Ausgangsmischung erreicht werden kann, dass die Schrumpfung während des Vor sinterns durch die nachfolgende Ausdehnung beim Infiltrieren praktisch ausgeglichen wird, was den Vorteil hat, dass auch Streuungen praktisch vermieden werden.
Natürlich wird in der Praxis fast niemals eine solche Genauigkeit gefordert; es genügt, wenn die Schwankungen innerhalb gewisser vorgeschriebener Grenzen bleiben. In solchen Fällen können die Schrumpfung und deren Streuung sowie die Ausdehnung und deren Streuung an FIand des Diagrammes der Fig.1 so gewählt werden, dass die resultieren den Abmessungen des infiltrierten Körpers innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen blei ben.
Während die Schrumpfung von vielen Faktoren abhängt (Korngrösse, Art des Eisen pulvers, Pressdruck und daher Porosität, Vor sintertemperatur, Art der Atmosphäre im Ofen usw.) und darum der Kohlenstoffgehalt geeignet bemessen werden muss, ist die Aus dehnung beim Einsaigern eines gegebenen Me- talles (Legierung) gegebener Temperatur praktisch konstant, und geringfügige Schwan kungen der Temperatur und Zeitdauer des Einsaigerns haben darum keinen wesentlichen Einfluss auf die Ausdehnung eines Skelett körpers gegebener Zusammensetzung und Porosität.
Um zum Beispiel einen Skelettkörper von einer Porosität von 10 bis 351/o zu erhalten, kann Eisenpulver, das 0,4 bis 0,65 % Kohlen- stoff enthält, gepresst und kurz bei 900 bis 11000 C vorgesintert werden.
Bei der Durchführung des erfindungs gemässen Verfahrens ist es stets nötig, für die Anwesenheit von Kohlenstoff zu sorgen, und der endgültig erhaltene SlIelettl@örper wird darum vorzugsweise eine Stahlstruktur auf weisen, welche einer nacliträ_lielien Ilit.ze- behandlung zugänglich ist, beispielsweise um den Kohlenstoff gleichmässig durch Diffusion im festen Aggregatzustand 'zui verteilen, oder ein Ausglühen,
Homogenisieren oder @orn@a@i- sieren des Körpers zu bewirken nsw.
Dem Eisenpulver der i>usgan@,sniiscluuig können auch Bestandteile von @egiei@un;,sstahl zugemischt werden; stets wird die Menge des vorhandenen Kohlenstoffes die Schrumpfung des Presslings während des Jorsinterns be stimmen.
Wenige Versuelie reichen aus, uni für eine gegebene Zusammensetzung, der Aus gangsmisehung die spezifische Sehrumpfun- festzustellen und die geeignete Menge des zu- zufügenden Kohlenstoffes zu bestimmen.
Jede -Art von Eisenpulver kann für die Zwecke der Erfindung verwendet werden. Grosse Reinheit und Trockenheit der Atmo sphäre, in welcher das Vorsintern bewirkt wird, sind wesentlich.
Die einzusaigernde Kiipferle-ieriiiig ent- hält vorzugsweise mindestens 85% Kupfer, wobei der Rest aus eineng oder mehreren 3le- tallen vom A tonigewiclit zwischen 54,0 und 58,8 gebildet wird, von denen aber je llöeh- st:
ens 5% anwesend sein. dürfen. Die Kupfer- legierung kann also bis zxi 51/o Fe und/oder bis zu 51/o Ni und bis zu 5% Mn enthalten und manchmal wenige Prozente oder <RTI
ID="0004.0106"> eineu Bruchteil eines Prozentes Phosphor; auch wenige Prozente oder Bruchteile eines Pro zentes Chrom, Silizium und/oder Titan wer den manchmal vorteilhaft der Kupferlegie rung zugemischt. Das Einsaigern wird in man chen Fällen durch die Zugabe kleiner Mengen Magnesiums, z. B. eines Bruchteils eines Pro zentes, erleichtert.
Der zu bemessende Kohlenstoffgehalt des Eisenskelettes, welcher die Schrumpfung wäh rend des Vorsinterns des Presslings bestimmt, ist recht: kritisch, und dadurch wird die Menge des Kohlenstoffes begrenzt, welcher in dem fertigen Körper verbleibt, und sich mit dem. Eisen verbinden kann.
Wenn ein grösserer Kohlenstoffgehalt erwünscht ist, als der kri- tischen Menge entspricht, empfiehlt es sich, verschiedene Arten von Eisenpulvern zu mi schen oder eine solche Eisenart zu wählen, welche mit der gewünschten Kohlenstoffmenge die vorbestimmte Schrumpfung während des Vorsinterns und Ausdehnung während des Infiltrierens sicherstellt, so dass ein Körper von Aussenmassen innerhalb gegebener Tole ranzen erhalten wird.
Somit ermöglicht das erfindungsgemässe Verfahren eine weitgehende Vorausbestim mung der Aussenmasse des fertigen Formkör pers durch geeignete Wahl des Eisenpulvers oder Mischen verschiedener Eisenpulver mit oder ohne Zugabe von Legierungsbestandtei len von Stahl, geeignete Wahl des Infiltrates (Kupfer oder Kupferlegierung) und vor allem durch richtige Abstimmung des Kohlenstoff gehaltes. Der letztere ist nicht nur voraus bestimmt durch die gewünschten Aussenmasse des fertigen Körpers, sondern beeinflusst auch dessen physikalische Eigenschaften, z. B. Fe stigkeit, Dehnung usw. Manchmal entspricht dieser Kohlenstoffgehalt auch den gewünsch ten Eigenschaften des fertigen Körpers, um abgeschreckt, insbesondere gehärtet, ausge glüht, normalisiert usw. werden zu können.
Auch diesen Erfordernissen kann durch die Erfindung in weitem Masse nachgekommen werden.
Manchmal soll der fertige Formkörper här ter sein an der Aussenseite und zäher im In nern. Zu diesem Zweck werden eisenhaltige Körper gewöhnlich im Einsatz gehärtet (kar- buriert, nitriert usw.). Mit Kohlenstoffgehal- ten des Skelettkörpers zwischen 0,3 und 0,4% würde die übliche Einsatzhärtung eine Erhit zung für viele Stunden und darauffolgendes Abschrecken erfordern, wodurch der ganze Körper gleichmässig gehärtet würde.
Es kön nen aber die Aussenschichten des Formkör pers durch Hochfrequenz-Induktionserhitzung (Hauteffekt) schnell erhitzt werden, ohne das Innere des Körpers gleichzeitig zu erhitzen, worauf abgeschreckt wird. Eine Erhitzung während eines Bruchteils einer Minute reicht oft aus, um das Eisen in den Aussenschichten über seine Umwandlungstemperatur (das heisst innerhalb des austenitischen Tempera turbereiches) zu erhitzen, ohne das Innere des Körpers auch nur nahe dieser Temperatur zu bringen.
Gemäss Fig.2 der Zeichnung kann zum Beispiel ein Faden 11 durch die Höhlung 12 eines nach vorliegendem Verfahren herge stellten zylindrischen Hohlkörpers 10 geführt und der Hohlkörper auf einen Träger 13 auf gesetzt und sodann mittels des Fadens durch eine Hochfrequenzspule 11 hindurchgeführt werden, welche mit Hochfrequenzstrom ge speist ist. Sobald die Aussenfläche des Kör pers 10 über die Umwandlungstemperatur er hitzt ist, wird der Faden 11 bei 15 durch geschnitten, so dass der Körper in kaltes Was ser 16 fällt, das in einem Behälter 17 unter halb der Spule 11 enthalten ist, wodurch der Körper abgeschreckt wird. Ein oder mehrere Behälter 17 können auf einem laufenden Band<B>18</B> aufgesetzt sein.