DE102006004622A1

DE102006004622A1 - Kontinuierliches Strangpressverfahren

Info

Publication number: DE102006004622A1
Application number: DE102006004622A
Authority: DE
Inventors: Claudia Stadelmann; Mark Hartmann; Robert F. Singer
Original assignee: Alulight International GmbH
Current assignee: Alulight International GmbH
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2026-02-02
Also published as: DE102006004622B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Strangpressverfahren für Metallpulvermischungen mit den Schritten: Herstellen einer Mischung im Wesentlichen aus Metallpulver und Zusätzen sowie Presshilfsmittel; Einführen der Mischung in eine Metallpulverstrangpressanlage und Entnehmen des stranggepressten Strangs, das danach hergestellte Strangpressteil und eine Metallpulvermischung für dasselbe.

Description

Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Strangpressverfahren für Metallpulver, das Reibungswärme einsetzt, sowie danach hergestellte Strangpressteile.
Die Herstellung von Strangpressteilen aus Metallpulvern durch kontinuierliche Strangpressverfahren, bei denen mindestens ein Teil der zur Verbindung der Metallpulverteilchen notwendigen Wärme Reibungswärme der Pulverteilchen aneinander ist, ist bekannt. Diese kontinuierlichen Verfahren werden bereits zur Herstellung von Stangen, Drähten, Profilen und Rohren, insbesondere mit Cu und Al, sowie deren Legierungen eingesetzt. Durch kontinuierliches Strangpressen können Stränge beliebiger Länge hergestellt werden, die entweder als Endfabrikat oder Halbfabrikat weiterverarbeitet werden können. Als typische Verfahren können hier das Linex-Verfahren und das Conform-Verfahren genannt werden, auf welche die Erfindung allerdings keineswegs eingeschränkt ist. Bei diesen Verfahren erfolgt eine Verdichtung des Pulvers und Verbindung der Teilchen miteinander – teils durch mechanische Kompression, teilweise durch Diffusionsereignisse an den Korngrenzen, wie beim Kalt- oder Reibschweissen. Dadurch, dass bei diesen Verfahren wenig oder keine externe Wärmezufuhr notwendig ist, sind sie energetisch günstig und ermöglichen wegen der vergleichsweise niedrigen Verarbeitungstemperaturen auch die Verarbeitung von Materialien, bei denen die Schmelzphase umgangen werden soll.

Es wurden bereits Theorien für diese Reibung einsetzenden kontinuierlichen Strangpressverfahren aufgestellt – bspw. die Analyse von Hoffmann und Sachs (Hoffmann and Sachs: Introduction to the Theory of Plasticity for Engineers, Mc-Graw-Hill, New York, 1953, S. 163–175.) Diese Theorie geht davon aus, dass der Reibungskoeffizient mit dem Extrusionsdruck wächst und damit die Strangqualität. Daher ist es erwünscht, einen möglichst hohen Reibungskoeffizienten zwischen Reibrad und eingeführtem Pulver zu erhalten.

Als Ausgangsmaterial können sowohl homogen schmelzende Metallpulver- bspw. Cu für die Herstellung von Cu-Drähten – oder aber inhomogen schmelzende Pulver-Mischungen, die überwiegend Metallpulver beinhalten, eingesetzt werden. Somit wird nachfolgend unter Metallpulver auch eine Mischung von Metall oder Metalllegierungspartikeln mit Zusätzen, wie Hartteilen, Treibmittel, verstanden..

Es kann von Pulver, Granulat, Gries od. dgl. verschiedenster Korngrössen ausgegangen werden, wie dem Fachmann auf dem Gebiet des Pulverstrangpressens bekannt ist. Bisher wird das Pulver ohne Presshilfsmittel/Binder verarbeitet, um die für das Verfahren notwendige, durch Reibung der Partikel aneinander entstehende Reibungswärme nicht zu verringern.

Besonders geeignet sind duktile Metallpulver enthaltende Pulvermischungen, wie Edelmetall-, Kupfer-, Eisen- oder Aluminium-Pulvermischungen, aber auch Beryllium, Wolfram, Titan, Stähle, Nickel und Niob, Zn und Sn, Si, Mg sowie deren Legierungen, ggf. mit Zusätzen, wie Hartstoffen, Fasern oder aber Treibmitteln für die Herstellung von Metallschäumen, wie Hydride oder Carbonate von Metallen – z.B. TiH₂, ZnH₂, MgH₂, CaCO₃ etc., wie sie dem Fachmann auf dem Gebiet der Metallschaumherstellung bekannt sind, können mit verarbeitet werden. Günstig ist, dass auch Materialien, die bei den herkömmlichen Warmpressverfahren Zersetzung aufgrund langer Wärmeexposition unterliegen, verarbeitet werden können. Insbesondere handelt es sich dabei um bei höheren Temperaturen Gase freisetzende Stoffe, bevorzugt solche, die in Schaummetall unter Legierungsbildung nach Abspaltung des Gases aufgenommen werden. Typische Metallschaummaterialien sind solche, die überwiegend Al, Mg, Si, Cu, Zn, Ti, Sn, Pb, Blei, Messing, Bronze etc. aufweisen Durch das erfindungsgemäße Verfahren können auch schmelzmetallurgisch nicht herstellbare Legierungen verarbeitet werden. Typisch sind Titanlegierungen, wie TiAl, TiAlNb, Magnesium- oder Beryllium-Legierungen.

Bisher traten bei kontinuierlichen Strangpressverfahren trotz hoher Pressdrücke Probleme bei der Verdichtung und Verbindung der Teilchen aneinander auf. Die Strangpressgeschwindigkeiten waren gering, falls keine zusätzliche Erwärmung eingesetzt wurde und daher nicht wirtschaftlich. Besonders bei Teilchen mit hohen Reibungskoeffizienten, wie Aluminium- oder Magnesiumlegierungen, die Oxidhäute aufweisen und eine eher spratzige Form und niedrige Schüttdichte aufweisen, war das Verfahren sehr langsam, da zunächst mechanisch die Oxidhäute durch die Knetwirkung des Reibrades zerstört werden müssen, die sperrigen Teilchen gegeneinander verdichtet, ggf. vorhandene Vorsprünge abgebrochen, eingeebnet oder umgebogen werden müssen und erst dann eine zufriedenstellende Bindungsreaktion an grösseren Kornflächen stattfinden kann. Ein weiteres Problem war die hohe Energie, die zum Antrieb des Reibrades benötigt wurde. Schliesslich waren die so hergestellten Extrudate ungleichmässig und wiesen grosse Dichtigkeitsunterschiede bzw. hohe, ungleichmäßige Porositäten und unerwünschte Hohlräume auf.

Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, das kontinuierliche Strangpressen mit Reibungswärme, insbesondere mittels Reibrad, zu verbessern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie Strangpressteile nach Patentanspruch 6 und deren Verwendung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Überraschenderweise zeigte sich, dass entgegen der Erwartungen der Fachwelt mittels eines Presshilfsmittels oder Schmiermittels, das der Pulvermischung zugesetzt wird und deren Reibungskoeffizienten erniedrigt, eine höhere und gleichmässigere Verdichtung bei geringerem Energieverbrauch (Reibradantriebsenergie) und eine verbesserte Verbindung der Pulverteilchen im hergestellten Strang mit geringerem Energieeintrag erzielt wird.

Der Füllgrad der Pulver kann verbessert werden, der Feinanteil von Pulvern wird zum grossen Teil gebunden und kann sich nicht aufgrund von Konvektion in bestimmten Anlagenbereichen ansammeln, wo er eine potentielle Gefahrenquelle (insbesondere falls es sich um zündfähige Pulver, wie Hydride handelt) darstellen kann. Bei gleichbleibender Strangqualität kann die Produktionsrate gesteigert werden.

Eine Theorie ist, dass anscheinend das Presshilfsmittel durch die Reibungswärme relativ früh im Verfahren zerstört wird – d. h. es oxidiert und/oder gast aus, so dass es in überraschender Weise das Entstehen der nach seinem Schwinden notwendigen Reibungswärme zur Verbindung zwischen den Metallteilchen nicht zu behindern scheint.

In jedem Fall war dieses Verhalten war völlig unerwartet und widerspricht den Vorurteilen der Fachwelt.

Besonders bevorzugt sind Presshilfsmittel, die sich leicht thermisch austreiben oder umsetzen lassen, wie langkettige Kohlenwasserstoffe, Wachse oder Materialien, die langkettige Kohlenwasserstoffketten enthalten – alle auf diesem Gebiet üblichen Materialien können eingesetzt werden, wie Wachse, Fettsäuresalze, Kohlenwasserstoffe etc.. Es können aber auch anorganische Presshilfsmittel, wie Silicone, Graphite, Siliciumdioxid, Talkum, Kaolin, Glimmer, Bornitrid, Silikonöl, Aluminiumoxid, Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, Titandioxid eingesetzt werden, wobei es günstig sein kann, dass diese in den Legierungen aufgenommen werden.

Es können Bindemittel auf Wasser- oder Lösemittelbasis eingesetzt werden, aber auch Polyacetal. Typisch sind Abkömmlinge der Stearinsäure, Paraffin-Wachse, thermoplastische Polymere, synthetische Wachse, wie Polyethylen, Polypropylen Malein-Wachse, Amid-Wachse.

Dabei ist zu beachten, dass es wichtig sein kann, die Pulverart auszuählen – je nach Herstellung des Pulvers kann dieses eine geringere Korngröße, was für die Herstellung einer innigen Mischung erwünscht sein kann – oder aber ein grösseres Korn oder aber ein engeres Korngrössenspektrum aufweisen. Es hat sich in einigen Fällen als günstig herausgestellt, Pulver geringer Korngrösse einzusetzen, das sich sehr gut beim Pressen verdichtet und gut mischt. Die Erfindung ist aber keineswegs auf die Verwendung von Pulvern mit sehr kleinen Korngrössen eingeschränkt. Typische Pulver haben eine mittlere Korngrösse von um 100 μm – leicht können aber auch Pulver mit mittleren Korngrössen von 400 μm eingesetzt werden..

Dadurch, dass nun erfindungsgemäß nach Beginn des Strangpressens bereits eine sehr grosse Verdichtung des Pulvers und damit Verfestigung der Struktur – aber auch danach eine Entfernung des Presshilfsmittels durch die beim Strangpressen entwickelte Wärme durch Ausgasen oder chemische Umsetzung wie Legierungsbildung oder aber chemische Umsetzung erfolgt, wird eine Verbindung der Pulverteilchen zum Strangpresskörper durch Entstehen metallischer Bindungen zwischen den Körnern des Pulvers – ähnlich dem Kaltschweissen oder dem Reibschweissen – an den Kornoberflächen bewirkt. Es können auch andere Partikel, bspw. Fasern, eingesetzt werden, die den Zusammenhalt des Strangpresslings verbessern.

Beim Strangpressen werden reaktive Stellen des zu pressenden Pulvers freigesetzt, was zu einer chemischen Verbindung (Kaltverschweissen/Reibschweissen) einander berührender Körner an den Berührungsstellen führt. Da bei diesem Prozess die reaktiven Stellen ggf. auch von bei den lokal hohen Strangpresstemperaturen schnell eindiffundierenden Gasmolekülen besetzt werden können, kann es bei einigen reaktiven Pulvermaterialien sinnvoll sein, das Strangpressen in Schutzgasatmosphäre oder Vakuum durchzuführen, um Reaktionen mit Gasen der Luft, wie Oxidation oder auch Hydroxidbildung, falls die Luft feucht ist, zu vermeiden. Als Schutzgase eignen sich alle mit den Legierungsbestandteilen nicht in wesentlichem Umfang reagierenden Gase, wie Stickstoff, Argon etc. Die Auswahl eines derartigen Gases ist dem Fachmann geläufig.

Die so hergestellten Teile sind überraschenderweise und aufgrund der durch das Verfahren hergestellten dichten und gleichmässigen Gefügestruktur mit sehr günstigen physikalischen Eigenschaften ausgestattet. Die erfindungsgemässen Strangpressteile weisen eine auffällig hochverdichtete gleichmässige Struktur auf, die zu einer leichten Weiterverarbeitung führt – sie können aber auch bereits als endgültige Teile eingesetzt werden – bspw. als Drähte, Rohre, Profile jeglicher Art.

Typische Metallstrangpressteile, die derart hergestellt werden können, sind Halbzeuge für formgebende Bearbeitung, wie Schmieden, Drahtziehen etc., aufschäumbare treibmittelhaltige Halbfabrikate für Metallschaumformteile, insbesondere Aluminiumschaumformteile, wie sie insbesondere in der EP 0850113 oder der EP 1085956 und DE 197 44 300 oder der EP 0559097 B1 beschrieben sind
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen sowie der beigefügten Zeichnung näher erläutert, wobei sie aber keinesfalls auf dieselben eingeschränkt ist. Darin zeigt
1 ein Schema eines typischen Verfahrensablaufs
2 ohne Presshilfsmittel stranggepresstes AlSi12
3 mit Presshilfsmittel stranggepresstes AlSi12
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen zur Herstellung von Strangpressteilen aus einer verschleissfesten Aluminium-Siliciumlegierung beschrieben.
Beispiel 1
Eine Aluminium-Silicium-Pulvermischung der Gesamtzusammensetzung AlSi12 wurde in eine Conform-Anlage eingeführt und mit einer Geschwindigkeit von 4U/min; 5U/min und 6U/min des Reibrades verarbeitet. Es wurden die in 2 dargestellten Stränge erhalten. Deutlich zeigt sich, dass der Strang ungleichmässig ist, hohe ungleichmässige Porosität und Hohlräume aufweist. Die Strangoberfläche ist nicht glatt. Die Seiten haben Einrisse.
Diese Fehler im Strang verstärken sich mit wachsender Umdrehungsgeschwindigkeit des Reibrades bzw. steigender Produktivität der Anlage, wie aus 2 ersichtlich.
Beispiel 2
Die gleiche Aluminium-Silicium-Pulvermischung der Gesamtszusammensetzung AlSi12 mit 0,3 Gew.% i-Stearinsäure wurde in der Conform-Anlage des Beispiels 1 mit den gleichen Geschwindigkeiten verarbeitet. Es wurden dabei die in 3 dargestellten Stränge erhalten. Es zeigt sich eine deutliche Homogenisierung und Verdichtung des Stranges auch bei hohen Reibradgeschwindigkeiten. Der so hergestellte Strang übertraf den aus Beispiel 1 in jeder Hinsicht.
Beispiel 3
Eine Metallpulvermischung der Gesamtzusammensetzung AlSi12 mit 0,3 Gew.% TiH₂ als Treibmittel in eine Conform-Anlage eingeführt und mit einer Geschwindigkeit von 4 U/min; 5 U/min und 6 U/min des Reibrades. verarbeitet. Es wurden Stränge erhalten. Deutlich zeigt sich, dass der Strang ungleichmässig ist, hohe ungleichmässige Porosität und Hohlräume aufweist. Die Strangoberfläche ist nicht glatt. Die Seiten haben Einrisse. Diese Fehler im Strang verstärken sich mit wachsender Umdrehungsgeschwindigkeit des Reibrades bzw. steigender Produktivität der Anlage, ähnlich der 2.
Beispiel 4
Die gleiche Metallpulvermischung wie in Beispiel 3 der Gesamtzusammensetzung wie in Beispiel 3 mit 0,2 Gew.% Paraffin wurde in der Conformanlage des Beispiels 1 mit den gleichen Geschwindigkeiten verarbeitet.. Es zeigt sich eine deutliche Homogenisierung und Verdichtung des Stranges auch bei hohen Reibradgeschwindigkeiten. Der so hergestellte Strang übertraf den aus Beispiel 3 in jeder Hinsicht.
Beispiel 5
Eine Metallpulvermischung der Gesamtzusammensetzung Mg-3Al-1Zn (AZ31) wurde in eine Conform-Anlage eingeführt und mit einer Geschwindigkeit von 4 U/min; 5 U/min und 6 U/min des Reibrades verarbeitet. Es wurden Stränge erhalten. Deutlich zeigt sich, dass der Strang ungleichmässig ist, hohe ungleichmässige Porosität und Hohlräume aufweist. Die Strangoberfläche ist nicht glatt. Die Seiten haben Einrisse. Diese Fehler im Strang verstärken sich mit wachsender Umdrehungsgeschwindigkeit des Reibrades bzw. steigender Produktivität der Anlage ähnlich der 2.
Beispiel 6
Die gleiche Metallpulvermischung wie in Beispiel 5 der Gesamtszusammensetzung wie in Beispiel 5 mit 0,2 Gew.% Paraffin wurde in der Conformanlage des Beispiels 1 mit den gleichen Geschwindigkeiten verarbeitet.. Es zeigt sich eine deutliche Homogenisierung und Verdichtung des Stranges auch bei hohen Reibradgeschwindigkeiten. Der so hergestellte Strang übertraf den aus Beispiel 3 in jeder Hinsicht.
Beispiel 7
Eine Metallpulvermischung der Gesamtzusammensetzung 14 Gew.% Al, 0,8 Gew.% ZrH₂, 84,2 Gew.% Zn + Natriumstearat wurde in der Conformanlage des Beispiels 1 verarbeitet. Es ergab sich ein kontinuierliches, glattes Extrudat ohne grössere Hohlräume oder Fehlstellen.
Demzufolge kann überraschenderweise durch Zusatz von Presshilfsmitteln bei kontinuierlichen Strangpressverfahren für Metalle, die mit Reibungswärme arbeiten, die Produktivität der Anlage und die Qualität des Produktes erheblich verbessert worden.
Obwohl die Erfindung anhand einer bevorzugten Anwendung auf Aluminium-Silicium-Legierungen beschrieben wurde, sind weitere Ausgestaltungen und Fortentwicklungen im Rahmen des Schutzumfangs der Ansprüche dem Fachmann offensichtlich und der Schutzumfang ist keineswegs auf die hier beispielhaft aufgeführten Ausführungsformen begrenzt, die lediglich der Erläuterung dienen

Claims

Kontinuierliches Strangpressverfahren für Metallpulvermischungen mit den Schritten: – Herstellen einer Mischung im wesentlichen aus Metallpulver und Zusätzen sowie Presshilfsmittel; Einführen der Mischung in eine Metallpulverstrangpressanlage; und Entnehmen des stranggepressten Strangs.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusätze(n) aus der Gruppe bestehend aus Treibmitteln, Verarbeitungshilfsmitteln, Hartstoffen, Fasern, sowie Kombinationen derselben ausgewählt sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strangpressen im wesentlichen ohne externe Wärmezufuhr mittels Reibungswärme durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strangpressschritt in Schutzgasatmosphäre stattfindet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Presshilfsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: langkettige Kohlenwasserstoffe, Wachse oder Materialien, die langkettige Kohlenwasserstoffketten enthalten, Wachse, Fettsäuresalze, Kohlenwasserstoffe, Polyacetal, Abkömmlinge der Stearinsäure, Paraffin-Wachse, thermoplastische Polymere, synthetische Wachse, wie Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen, Malein-Wachse, Amid-Wachse, sowie Kombinationen derselben.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Presshilfsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus anorganischen Presshilfsmitteln, wie wie Silicone, Graphite, Siliciumdioxid, Talkum, Kaolin, Glimmer, Bornitrid, Silikonöl, Aluminiumoxid, Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, Titandioxid, sowie Kombinationen derselben.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit Wärmezufuhr durchgeführt wird.
Strangpressteil, hergestellt nach einem der Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Strangpressteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Metall-/Treibmittelpulvermischung aufweist.
Verwendung des Strangpressteils nach Anspruch 8 als schäumfähiges Halbzeug für die Metallschaumherstellung.
Metallpulvermischung für ein Strangpressverfahren, gekennzeichnet durch einen Gehalt an einem Presshilfsmittel, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus organischen Presshilfsmitteln und anorganischen Presshilfsmitteln.