DE112009002512B4

DE112009002512B4 - Mengenchemieformulierung für Pulvermetall-Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE112009002512B4
Application number: DE112009002512.9T
Authority: DE
Inventors: Donald Paul Bishop; Christopher Daniel Boland; Richard L. Jr Hexemer; Ian W. Donaldson
Original assignee: GKN Sinter Metals LLC
Current assignee: GKN Sinter Metals LLC
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2009-10-06
Publication date: 2023-03-23
Anticipated expiration: 2029-10-07
Also published as: CA2738936A1; WO2010042498A8; JP2015108194A; JP2012505312A; DE112009002512T5; US20110265757A1; CN102177264A; US8920533B2; CN102177264B; WO2010042498A1; CA2738936C; JP6006342B2

Abstract

Gesintertes Pulvermetallteil, das einen aus Pulvermetallmaterial geformten Korpus umfasst, wobei das Pulvermetallmaterial eine Pulvermetallmischung aus einem zerstäubten Aluminiumpulver, einem Aluminium-Kupfer-Vorlegierungspulver und einem zerstäubten Magnesiumpulver umfasst, die verdichtet und gesintert ist, wobei beim Sintern eine intermetallische Phasen vom Typ S (CuMgAl2) in dem Korpus gebildet wird und die S-Phase in einer Konzentration vorhanden ist, die zu einem verbesserten Ansprechen auf eine Kaltbearbeitungsverfestigung des Pulvermetallteils führt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft gesinterte Pulvermetallteile, ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Pulvermetallteils und eine sinterfähige Pulvermetallmischung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Mengenchemieformulierung für eine Pulvermetall-Aluminiumlegierung für gesinterte Pulvermetallteile, im angegebenen Beispiel speziell für Nockenwellen-Lagerkappen.
Nockenwellen-Lagerkappen oder „Nockenkappen“ werden herkömmlicherweise genutzt, um eine Nockenwellen-Lageranordnung an einem Motorblock zu befestigen. Nockenkappen gibt es in verschiedenen Formen, typischerweise weisen sie jedoch einen Bogenabschnitt mit Bolzenlöchern auf beiden Seiten auf. Die Nockenwellen-Lageranordnung wird durch den Bogen der Nockenkappe an ihrem Platz in dem Motor gehalten, wenn die Nockenkappe an dem Motorblock befestigt wird, indem Bolzen durch die Bolzenlöcher der Nockenkappe hindurch an dem Motorblock befestigt werden. Wenn die Nockenwelle rotiert, um an dem Ventiltrieb in Anlage zu kommen, müssen die Nockenkappen einer zyklischen Belastung standhalten können. Es ist üblich geworden, verschiedene Motorbestandteile, darunter Nockenkappen, aus Aluminiumlegierungen auszubilden, da viele Aluminiumlegierungen ein exzellentes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweisen.
Viele dieser Nockenkappen aus Aluminium wurden in der Vergangenheit mittels Druckguss hergestellt. Da die Nockenkappen jedoch präzise auf die Nockenwellenlager passen müssen, wenn sie an den Motorblock geschraubt werden, gibt es für viele Abmessungen für Nockenkappen enge Toleranzgrenzen. Da mittels Druckguss hergestellte Nockenkappen nach dem Guss nicht die erforderliche Maßgenauigkeit aufweisen, müssen die druckgegossenen Nockenkappen nachfolgend maschinell bearbeitet werden. Durch die maschinelle Bearbeitung der Nockenkappen erhöhen sich die Herstellungskosten und die Herstellungszeit für die Nockenkappen. Außerdem können manche Nockenkappen feingradige Details aufweisen, beispielsweise Ölkanäle, die sich mittels Druckguss schwer ausbilden lassen.
Um viele dieser Probleme zu vermeiden und Nockenkappen bereitzustellen, die vor der maschinellen Bearbeitung maßgenauer sind, werden einige Nockenkappen aus Aluminium durch Pulvermetallverarbeitung hergestellt. Da mittels Pulvermetallverarbeitung hergestellte Nockenkappen jedoch im Vergleich zu den druckgegossenen Nockenkappen (die typischerweise vollständig dicht sind) einen höheren Porositätsgrad aufweisen, haben Pulvermetall-Nockenkappen oft etwas schlechtere mechanische Eigenschaften im Vergleich zu den druckgegossenen Nockenkappen.
Aus der GB 1 155 883 A gehen pulvermetallurgische Techniken zur Herstellung von Aluminiumprodukten hervor. Im Wesentlichen bezieht sich die Erfindung auf das kontrollierte Schrumpfen bei der Herstellung von Pulvermetallbauteilen aus Aluminium.
Aus der EP 0 588 439 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, welche Aluminium enthalten, beginnend mit Aluminium und anderen Metallen in Pulverform hervor.
Aus der US 6 355 207 B1 geht ein Verfahren zur Herstellung gerundeter Agglomerate hervor bei dem zu einem Partikelgemisch ein organisches Material zugesetzt wird, um so bei einer bestimmten Erstarrung eine verbesserte Bindung im partikulären Festkörper zu erreichen.
Daher besteht ein Bedarf an Pulvermetallteilen, wie beispielsweise Nockenkappen, mit verbesserten mechanischen Eigenschaften.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem gesinterten Pulvermetallteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einem Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Pulvermetallteils mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie einer sinterfähigen Pulvermetallmischung mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben.
In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist ein gesintertes Pulvermetallteil vorgesehen, das einen aus Pulvermetallmaterial geformten Korpus umfasst, wobei das Pulvermetallmaterial eine Pulvermetallmischung aus einem zerstäubten Aluminiumpulver, einem Aluminium-Kupfer-Vorlegierungspulver und einem zerstäubten Magnesiumpulver umfasst, die verdichtet und gesintert ist, wobei beim Sintern eine intermetallische Phasen vom Typ S (CuMgAl₂) in dem Korpus gebildet wird und die S-Phase in einer Konzentration vorhanden ist, die zu einem verbesserten Ansprechen auf eine Kaltbearbeitungsverfestigung des Pulvermetallteils führt.
Es wird eine Pulvermetallmischung offenbart, die verbesserte mechanische Eigenschaften für aus Pulvermetall hergestellte Teile wie Nockenkappen bereitstellt. Die Pulvermetallmischung bildet beim Sintern eine intermetallische S-Phase in dem Legierungssystem Al-Cu-Mg aus. Die S-Phase ist in einer Konzentration vorhanden, die zu einem verbesserten Ansprechen auf Kaltbearbeitungsverfestigung des Pulvermetallteils führt. Weiterhin können durch kleinere Anpassungen bestimmter Legierungselemente wie beispielsweise Zinn die Zugfestigkeitseigenschaften des resultierenden Teils angepasst werden.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Pulvermetallteil nach dem Sintern im Wesentlichen aus 4,4 Gewichtsprozent Kupfer und 1,5 Gewichtsprozent Magnesium besteht, wobei der Rest des Pulvermetallteils im Wesentlichen aus Aluminium besteht.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Pulvermetallmischung gegenüber standardmäßigen Pulvermetall-Legierungen des Typs AC2014 eine erhöhte Sinterreaktion zeigt.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Pulvermetallmischung gegenüber standardmäßigen Pulvermetall-Legierungen des Typs AC2014 eine verbesserte Makrohärte aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Pulvermetallmischung gegenüber standardmäßigen Pulvermetall-Legierungen des Typs AC2014 eine verbesserte Zugfestigkeit aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Pulvermetallteil eine Nockenkappe für eine Motor-Nockenwelle ist.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Pulvermetallmischung Zinn bis zu ungefähr einem Gewichtsprozentanteil umfasst, der nicht die Bildung der intermetallischen Phasen vom Typ S hemmt.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist ein Pulvermetallteil vorgesehen, wobei die Härte des Pulvermetallteils 70 HRE übersteigt.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sinterdichte des Pulvermetallteils 2,6 g/cm³ übersteigt.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist ein Pulvermetallteil vorgesehen, wobei das zerstäubte Aluminiumpulver luftzerstäubt ist.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Aluminium-Kupfer-Vorlegierungspulver aus 50 Gewichtsprozent Aluminium und 50 Gewichtsprozent Kupfer besteht.
Des Weiteren wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 zur Herstellung eines gesinterten Pulvermetallteils gemäß der obigen Beschreibung vorgeschlagen, welches folgende Schritte umfasst:

• Mischen eines zerstäubten Aluminiumpulvers, eines Aluminium-Kupfer-Vorlegierungspulvers und eines zerstäubten Magnesiumpulvers, um eine Pulvermetallmischung zu bilden;
• Füllen einer Verdichtungsform mit der Pulvermetallmischung;
• Verdichten der Pulvermetallmischung in der Verdichtungsform zu einem Vorformling; und
• Sintern des Vorformlings, wobei beim Sintern eine intermetallische S-Phase (CuM-gAl₂) gebildet wird und die S-Phase in einer Konzentration vorhanden ist, die zu einem verbesserten Ansprechen auf eine Kaltbearbeitungsverfestigung des Pulvermetallteils führt.

In einer weiteren Ausgestaltungsform ist vorgesehen, dass das Verfahren ferner den Schritt der Kaltbearbeitung des Pulvermetallteils umfasst.
In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Pulvermetallteil eine Nockenkappe für eine Motor-Nockenwelle ist.
In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Pulvermetallteil nach dem Sintern im Wesentlichen aus 4,4 Gewichtsprozent Kupfer und 1,5 Gewichtsprozent Magnesium besteht, wobei der Rest des Pulvermetallteils Aluminium ist.
Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird eine sinterfähige Pulvermetallmischung mit den Merkmalen des Anspruchs 16 vorgeschlagen.
Die Pulvermetallmischung umfasst:

• ein zerstäubtes Aluminiumpulver,
• ein Aluminium-Kupfer-Vorlegierungspulver,
• ein zerstäubtes Magnesiumpulver, und
• wobei die Pulver derart gemischt sind, dass sie eine Pulvermetallmischung bilden, die beim Verdichten und Sintern ein Pulvermetallteil mit einer intermetallischen S-Phase (CuMgAl₂) in einer Konzentration ergibt, die zu einem verbesserten Ansprechen auf eine Kaltbearbeitungsverfestigung des Pulvermetallteils führt, wobei das Pulvermetallteil nach dem Sintern im Wesentlichen aus 4,4 Gewichtsprozent Kupfer und 1,5 Gewichtsprozent Magnesium besteht, wobei der Rest des Pulvermetallteils Aluminium ist.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist eine Pulvermetallmischung vorgesehen, wobei ferner das zerstäubte Aluminiumpulver luftzerstäubt ist und das Aluminium-Kupfer-Vorlegierungspulver aus 50 Gewichtsprozent Aluminium und 50 Gewichtsprozent Kupfer besteht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist eine Pulvermetallmischung vorgesehen, die gegenüber standardmäßigen Pulvermetall-Legierungen des Typs AC2014 eine erhöhte Sinterreaktion zeigt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist eine Pulvermetallmischung vorgesehen, die gegenüber standardmäßigen Pulvermetall-Legierungen des Typs AC2014 eine verbesserte Makrohärte aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist eine Pulvermetallmischung vorgesehen, die gegenüber standardmäßigen Pulvermetall-Legierungen des Typs AC2014 eine verbesserte Zugfestigkeit aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist eine Pulvermetallmischung vorgesehen, welche ferner Zinn bis zu ungefähr einem Gewichtsprozentanteil umfasst, der nicht die Bildung der intermetallischen S-Phase hemmt.
Das Vorstehende sowie die Vorteile der Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung deutlich werden. In der Beschreibung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen:

1A zeigt ein in einem Elektronenmikroskop aufgenommenes Bild eines luftzerstäubten Aluminiumpulvers;
1B ist ein Diagramm, das eine Partikelgrößenverteilung des luftzerstäubten Aluminiumpulvers aus 1A zeigt;
2A zeigt ein in einem Elektronenmikroskop aufgenommenes Bild eines Aluminium-Kupfer (50/50) -Vorlegierungspulvers;
2B ist ein Diagramm, das eine Partikelgrößenverteilung des Aluminium-Kupfer (50/50) -Vorlegierungspulvers aus 2A zeigt;
3A zeigt ein in einem Elektronenmikroskop aufgenommenes Bild eines zerstäubten Magnesiumpulvers;
3B ist ein Diagramm, das eine Partikelgrößenverteilung des zerstäubten Magnesiumpulvers aus 3A zeigt;
4A zeigt ein Diagramm, in dem die Gründichte verschiedener Pulvermetallzusammensetzungen bei verschiedenen Verdichtungsdrücken verglichen ist;
4B zeigt ein Diagramm, in dem die Grünfestigkeit verschiedener Pulvermetallzusammensetzungen bei verschiedenen Verdichtungsdrücken verglichen ist; die
5A-5C zeigen Diagramme, in denen die Dimensionsänderungen verschiedener Pulvermetallzusammensetzungen bei verschiedenen Verdichtungsdrücken verglichen sind;
6 zeigt ein Diagramm, in dem die Sinterdichte verschiedener Pulvermetallzusammensetzungen bei verschiedenen Verdichtungsdrücken verglichen ist;
7 ist ein Graph, der die Auswirkung der Zugabe von Zinn auf die Sinterdichte eines aus der Legierung Dal-2324 hergestellten Pulvermetallteils darstellt; und
8 ist ein Graph, der die Auswirkung der Zugabe von Zinn auf die mechanischen Eigenschaften der Legierung Dal-2324 darstellt.

Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Pulvermetallmischung zur Herstellung eines Pulvermetallteils wie einer Nockenkappe bereitgestellt. Diese Pulvermetallmischung enthält luftzerstäubtes Aluminiumpulver, eine Aluminium-Kupfer (50/50) -Vorlegierung und zerstäubtes Magnesiumpulver. Das luftzerstäubte Aluminiumpulver und die Aluminium-Kupfer (50/50) -Vorlegierungspulver sind bei Ecka Granules erhältlich, und das zerstäubte Magnesiumpulver ist bei der Tangshan Weihao Magnesium Powder Company erhältlich. Diese drei Pulvermetalle werden zusammen mit 1,5 Gewichtsprozent Licowax® C in Pulvermetallurgiegüte (erhältlich bei Clariant®) durch Turbala-Mischung oder andere Mischverfahren zum Mischen der Pulver aufbereitet.
In den 1A - 3B ist für jedes dieser Pulver die Morphologie und die Partikelgrößenverteilung vor dem Mischen charakterisiert. Die 1A, 2A und 3A zeigen Bilder, die von dem luftzerstäubten Aluminiumpulver, dem Aluminium-Kupfer (50/50) -Vorlegierungspulver bzw. dem Magnesiumpulver in einem Elektronenmikroskop aufgenommen worden sind. Bemerkenswert ist, dass die Partikel des luftzerstäubten Aluminiumpulvers und des zerstäubten Magnesiumpulvers eine allgemein runde Gestalt aufweisen, wobei das Magnesiumpulver im Wesentlichen kugelförmig ist. Andererseits weisen die Partikel der Aluminium-Kupfer (50/50) -Vorlegierung eine viel stärker variierende und irreguläre Gestalt auf. Die 1B, 2B und 3B zeigen für das jeweilige Pulver den prozentualen Gesamtanteil, der feiner als eine bestimmt Partikelgröße (in Mikrometern) ist. Anders gesagt zeigen die 1B, 2B und 3B die dem luftzerstäubten Aluminiumpulver, der Aluminium-Kupfer (50/50) -Vorlegierung bzw. dem zerstäubten Magnesiumpulver entsprechende Partikelgrößenverteilung. Zu beachten ist, dass die x-Achse, welche die Partikelgröße darstellt, logarithmisch dargestellt ist. Zur besseren Charakterisierung der Pulver ist in der nachstehenden Tabelle I ein zusammenfassender Vergleich der Partikelgrößendaten für die Pulver angegeben, d.h. die Feinheitsgrade für einen prozentualen Gesamtanteil von 10, 50 und 90 %. Tabelle I

Pulver D ₁₀ (µm) D ₅₀ (µm) D ₉₀ (µm)

zerstäubtes Aluminium 63 104 150

Al-Cu-Vorlegierung 13 41 89

zerstäubtes Magnesium 23 35 51

Die Pulver werden derart gemischt, dass ein Pulvermetallteil mit einer allgemeinen Mengenzusammensetzung von AI-4,4Cu-1,5Mg, in Gewichtsprozent, ausgebildet wird. Vorliegend wird die Mischung AI-4,4Cu-1,5Mg als „DAL-2324“ bezeichnet. Wenngleich eine Aluminiumlegierung mit 4,4 Gewichtsprozent Kupfer und 1,5 Gewichtsprozent Magnesium mit einem minimalen Einschluss anderer Legierungselemente bevorzugt wird, sind auch Legierungselemente und andere Verunreinigungen mit einer Mengenchemie in den Bereichen wie in nachstehender Tabelle II gezeigt möglich. Tabelle II

Elemente	min.	max.
Aluminium (Al)	Rest
Chrom (Cr)	-	0,20 %
Kupfer (Cu)	3,0 %	5,0 %
Eisen (Fe)	-	0,30 %
Magnesium (Mg)	1,0 %	2,0 %
Mangan (Mn)	-	1,0 %
Silicium (Si)	-	0,15 %
Titan (Ti)	-	0,15 %
Zink (Zn)	-	0,30 %
Nickel (Ni)	-	2,50 %
Zinn (Sn)	-	1,2 %
andere, jeweils	-	0,100 %
andere, insgesamt	-	0,20 %

Die Pulvermetallmischung weist eine einfache Chemie auf. Insbesondere ist keine Zugabe von Silicium erforderlich. Außerdem sind minimale Eisenverunreinigungen vorhanden.
Die Pulvermetallmischung DAL-2324 weist eine Flussrate und eine Schüttdichte auf, die mit kommerziell erhältlichen Pulvern, welche zur Herstellung von Nockenkappen zur Verfügung stehen, vergleichbar sind, wie aus Tabelle III ersichtlich ist. Im Vergleich zu Alumix 123 (hergestellt von Ecka Granules) und AMB 2712A (hergestellt von Ampal Inc.) sind die Flussrate und die Schüttdichte von DAL-2324 in Pulverform nahezu äquivalent. Tabelle III

Legierung Flussrate (s) Schüttdichte (g/cm ³ )

Alumix 123 9 1,176

AMB 2712A 9 1,289

Dal-2324 8 1,206
Die Pulvermetallmischung DAL-2324 wird mittels herkömmlicher Pulvermetallverarbeitung zu einer Nockenkappe geformt. Das luftzerstäubte Aluminiumpulver, das Aluminium-Kupfer (50/50) -Vorlegierungspulver, das zerstäubte Magnesiumpulver und ein Binder/Schmiermittel werden miteinander vermischt, um die Pulvermetallmischung zu bilden. Diese Pulvermetallmischung wird dann in eine Verdichtungsform gefüllt, beispielsweise eine Druckkammer mit oberen und unteren Presskolben, Stempeln und/oder Kernstäben. Die Pulvermetallmischung wird bei einem gewissen Verdichtungsdruck verdichtet, um einen „grünen“ Vorformling auszubilden. Der grüne Vorformling wird dann eine Zeit lang bei einer Sintertemperatur gesintert, die knapp unterhalb der Liquidustemperatur der Pulvermetallmischung liegt, um das Sinterteil auszubilden. Während des Sinterns des grünen Vorformlings dampfen der Binder/das Schmiermittel aus, und die Partikel des Vorformlings werden durch Diffusion ineinander gezogen. Während dieses Prozesses reduziert sich die Größe der Poren zwischen den Partikeln, und oft schließen sich diese. Während die Porosität des Teils abnimmt, erhöht sich die Dichte des Teils und das Teil „schrumpft“ in seinen Dimensionen. Es können auch weitere Phänomene bei der Verdichtung des Teils eine Rolle spielen. Zum Beispiel kann während des Sinterns einer flüssigen Phase eine Kapillarwirkung eine dominantere Rolle bei der Bestimmung der Geschwindigkeit spielen, mit der sich die Poren füllen und sich das Teil verdichtet.
Bei den meisten gesinterten Teilen hängen die mechanischen Eigenschaften des Sinterteils weitestgehend von der Dichte des Teils ab. Wenn das Teil eine hohe Dichte aufweist (nahe der oder annähernd die volle Dichte) bedeutet dies üblicherweise, dass das Teil beispielsweise eine höhere Makrohärte und Zugfestigkeit aufweisen wird. Die Dichte könnte weiter erhöht werden durch geringfügige Erhöhung der Temperatur (die jedoch immer noch unterhalb des Liquiduspunktes gehalten wird) oder Erhöhung der Sinterzeit bei einer bestimmten Temperatur. Jedenfalls ist es für die meisten Pulvermetallzusammensetzungen thermodynamisch und kinetisch schwierig, eine Dichte zu erzielen, die der vollen Dichte nahe kommt. Wenn sich die Poren schließen, ändert sich der Mechanismus für eine Reduzierung der Porosität von einem Zusammenziehen der Partikel ineinander zu einer Diffusion von Leerstellen durch das Teil. Wenn die Diffusion von Leerstellen von den Poren zur Außenseite des Teils zum dominanten Mechanismus für eine Verfestigung wird, können nur noch marginale Erhöhungen der Dichte durch Erhöhung der Sinterzeit und/oder -temperatur erzielt werden. Außerdem kann das Halten von Teilen bei Sintertemperaturen über eine längere Zeit hin auch unerwünschte Auswirkungen auf die Dimensionen des Teils haben. Wenn das Teil zu lange einem Wärmegradienten oder hohen Temperaturen ausgesetzt wird, könnte es in einigen Bereichen stärker als in anderen schrumpfen. Infolgedessen würde das Teil eine geringere Maßgenauigkeit aufweisen.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die vorstehend beschriebene Pulvermetallmischung eine verbesserte Sinterreaktion zeigt. So wird bei einer analogen Wärmebehandlung wie für andere kommerziell erhältliche Pulver (Alumix 123 und AMB 2712A) mit der Pulvermetallmischung DAL-2324 eine höhere Dichte erreicht. Es wurde festgestellt, dass das Teil im Vergleich zu vergleichbaren Pulvern zur Herstellung von Nockenkappen durch diese erhöhte Sinterdichte zusammen mit der Ausbildung einer einzigartigen intermetallischen Phase eine höhere Festigkeit erhält.
Nehmen wir nun auf die 4A und 4B Bezug, so ist in diesen die Gründichte und die Grünfestigkeit von Vorformlingen, die aus Alumix 123 (als „E123“ bezeichnet), aus AMB 2712A (als „Ampal 2712a“ bezeichnet) und aus DAL-2324 hergestellt sind, bei verschiedenen Verdichtungsdrücken (in MPa) gezeigt.
Wie am besten in 4A zu sehen ist, weist das Pulver DAL-2324 bei einem Verdichtungsdruck von 100 MPa eine Dichte von ungefähr 81 %, bei 200 MPa von 90 %, bei 300 MPa von 92,5 % sowie bei 400 MPa von 93,5 % und bei 500 MPa von 94 % auf. Bei den höheren Verdichtungsdrücken vermindert sich die marginale Zunahme der Gründichte in Reaktion auf eine Erhöhung des Verdichtungsdrucks. Angesichts der höheren Belastungen der Werkzeuge und der sich verringernden Zunahme der Gründichte bei höherem Verdichtungsdruck wären noch höhere Verdichtungsdrücke ungewöhnlich. Das Pulver DAL-2324 weist bei einem gegebenen Verdichtungsdruck eine Gründichte auf, die typischerweise 1 - 4 % geringer ist als bei den Pulvern Alumix 123 und AMB 2712A. Die Differenz der Gründichte in Prozent zwischen dem Pulver DAL-2324 und den Pulvern Alumix 123 sowie AMB 2712A nimmt mit zunehmendem Verdichtungsdruck geringfügig ab.
Nehmen wir nun auf 4B Bezug, so weisen die aus dem Pulver DAL-2324 hergestellten Teile bei einem gegebenen Verdichtungsdruck zwar eine geringere Gründichte auf als die Teile, die aus den Pulvern Alumix 123 und AMB 2712A hergestellt sind, ihre Grünfestigkeit ist jedoch mit derjenigen der beiden anderen Pulver vergleichbar. Bei einem Verdichtungsdruck von 100 MPa weist das Pulver DAL-2324 eine Grünfestigkeit von knapp über 3000 kPa auf, bei einem Verdichtungsdruck von 200 MPa eine Grünfestigkeit von 8000 kPa, bei einem Verdichtungsdruck von 300 MPa eine Grünfestigkeit von knapp unter 11000 kPa, bei einem Verdichtungsdruck von 400 MPa eine Grünfestigkeit von 12000 kPa und bei einem Verdichtungsdruck von 500 MPa eine Grünfestigkeit von ungefähr 12500 kPa. Diese Grünfestigkeiten übersteigen die Grünfestigkeiten des Pulvers AMB 2712A bei einem gegebenen Verdichtungsdruck, sind aber geringer als die Grünfestigkeit des Pulvers Alumix 123 bei einem gegebenen Verdichtungsdruck.
Nehmen wir nun auf die 5A - 5C Bezug, so unterliegt das Pulver DAL-2324 während des Sinters einer höheren Schrumpfung. In den Diagrammen der 5A - 5C sind die Längen-, Breiten- und Gesamtlängenänderungen für jedes der Pulver bei einem gegebenen Verdichtungsdruck verglichen. Bei einem gegeben Verdichtungsdruck schrumpfen die aus dem Pulver DAL-2324 hergestellten Teile stärker als die aus dem Pulver AMB 2712A und dem Pulver Alumix 123 hergestellten Teile. Allgemein nimmt die Stärke der Schrumpfung in einer gegebenen Dimension mit dem Verdichtungsdruck ab, und somit nimmt die Gründichte zu. Dies sollte an sich nicht überraschen, da die Vorformlinge aus DAL-2324 eine geringere Gründichte aufweisen als die Vorformlinge aus Alumix 123 und AMB 2712A, wodurch die Vorformlinge aus DAL-2324 mehr Raum zum anfänglichen Schrumpfen während des Sinterns haben.
Nehmen wir nun jedoch Bezug auf 6, so ist hier gezeigt, dass für die meisten Verdichtungsdrücke und insbesondere die höheren Verdichtungsdrücke die Sinterdichte der Pulver DAL-2324 die der beiden anderen kommerziell verfügbaren Pulver stark übersteigt. Bei 200 MPa Verdichtungsdruck weist DAL-2324 eine Sinterdichte von knapp über 2,6 g/cm³ auf, bei 300 MPa Verdichtungsdruck weist DAL-2324 eine Sinterdichte von knapp über 2,63 g/cm³ auf, bei 400 MPa Verdichtungsdruck weist DAL-2324 eine Sinterdichte von ungefähr 2,65 g/cm³ auf und bei 500 MPa Verdichtungsdruck weist DAL-2324 eine Sinterdichte von knapp unter 2,64 g/cm³ auf. Bei Verdichtungsdrücken oberhalb von 200 MPa übersteigt die Sinterdichte von DAL-2324 die Sinterdichte der beiden anderen kommerziell verfügbaren Pulver um 0,1 g/cm³ bis 0,05 g/cm³. Diese Erhöhung der Sinterdichte führt in Kombination mit der durch diese einzigartige Kombination von Pulvern gebildeten intermetallischen Phase zu den verbesserten mechanischen Eigenschaften, die nachstehend aufgelistet sind.

Tabelle IV gibt die mechanischen Eigenschaften einiger Proben an, die ohne wesentlichen Anteil an Zinn in der Legierung hergestellt wurden. Tabelle IV

Legierung	Verdichtungsdruck (MPa)	Streckgrenze (MPa)	Zugfestigkeit (MPa)	Elastizitätsmodul (GPa)	Dehnung (%)	Härte (HRE)
Alumix 123	200 MPa	129	158	51,0	1,5	58,2
	300 MPa	134	173	53,6	2,0	64,1
	500 MPa	136	171	53,7	1,6	65,9
Dal-2324	200 MPa	185	194	58,9	0,7	74,5
	300 MPa	208	222	66,7	0,7	80,2
	400 MPa	204	223	61,9	0,9	82,0

Beachtenswert ist, dass die aus DAL-2324 hergestellten Teile eine größere Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte als die aus Alumix 123 hergestellten Teile aufweisen. Für das Pulver DAL-2324 ergeben sich Verbesserungen von 30 - 50 % hinsichtlich der Makrohärte und der Zugfestigkeit im Vergleich zu derzeit genutzten standardmäßigen Pulvermetalllegierungen vom Typ AC2014.
Um den Unterschied in den mechanischen Eigenschaften zu verstehen, ist es hilfreich, das mikroskopische Verhalten der Bestandteile von DAL-2324 zu verstehen, und wie dieses sich von standardmäßigen Pulvermetalllegierungen unterscheidet. Die meisten Aluminiumhochleistungslegierungen werden durch eine Dispersion feiner intermetallischer Phasen verstärkt, die durch geeignete Wärmebehandlungsprozeduren gebildet werden. Der Typ der ausgebildeten intermetallischen Phase(n) hängt zumindest teilweise von der Mengenchemie des Materials ab. Zum Beispiel ist bei Alumix 123 oder Ampal 2712A das Verhältnis von Kupfer zu Magnesium hoch (üblicherweise im Bereich von 8-9:1). Unter diesen Bedingungen ist die dominierende festigende intermetallische Phase die θ-Phase (CuAl₂) sowie metastabile Varianten dieser.
Die Zusammensetzung Al-4,4Cu-1,5Mg ist mengenchemieseitig und durch die Morphologie der Pulvermetalle in der Mischung dahingehend optimiert, dass die Bildung einer intermetallischen S-Phase (CuMgAl₂) und metastabiler Varianten dieser begünstigt wird. Die intermetallische S-Phase weist bei kaltbearbeiteten Aluminiumlegierungen eine wirksamere verfestigende Wirkung auf als die θ-Phase. Versetzungen verbreiten sich in der intermetallischen S-Phase schwerer als in der intermetallischen θ-Phase, und infolgedessen ist die Legierung mit der intermetallischen S-Phase härter und weist verbesserte Zugfestigkeitseigenschaften auf. Zusätzliche Vorteile für diese Pulvermetallmischung kommen in Betracht, nachdem diese Kaltbearbeitungsvorgängen unterworfen worden ist, wie sie in einem Produktionsablauf vom Typ „Pressen-Sintern-Bemessen“ üblich sind.
An der Rohpulvermischung können kleinere Anpassungen vorgenommen werden, um das gleiche oder im Wesentlichen analoge Ergebnis mit einer Ausbildung der intermetallischen S-Phase zu erzielen. Zum Beispiel könnte das Aluminium-Kupfer-Vorlegierungspulver eine andere Zusammensetzung als ein Gewichtsprozentverhältnis von 50/50 aufweisen. Außerdem könnten kleinere Anpassungen an den Mengen der zugemischten Pulver vorgenommen werden, um die Menge eines jeweiligen Legierungselements in der Mengenchemie innerhalb der in Tabelle II gezeigten Bereiche zu regulieren, bisweilen mit einem zusätzlichen Vorteil.
Zinn ist ein solches Beispiel für ein Legierungselement, das angepasst werden kann, um die Mikrostruktur, die Phasenentwicklung sowie mechanische und chemische Eigenschaften der Legierung zu verändern, und zwar bis zu einem geringen Prozentsatz, z. B. bis zu 1,2 Gew.-% Sn. Nehmen wir nun auf die 7 und 8 Bezug, so sind mit diesen zwei Diagramme angegeben, welche die Auswirkung einer Zugabe von Zinn von bis zu 1,0 Gew.-% auf die Sinterdichte bzw. auf verschiedene mechanische Eigenschaften der Legierung DAL-2324 darstellen. Eine Erkenntnis, die aus diesen Diagrammen gewonnen werden kann, ist, dass sich bei einer Zugabe von Zinn bis zu ungefähr 0,2 Gew.-% die Sinterdichte und die Zugfestigkeitseigenschaften erhöhen. Wie in 8 zu sehen ist, weist die Legierung DAL-2324 bei ungefähr 0,2 Gew.-% eine Zugfestigkeit von ungefähr 295 MPa und eine Streckgrenze von ungefähr 245 MPa auf.
Bei ungefähr 0,2 Gew.-% Zinn oder danach beginnen zusätzliche Mengen an Zinn in der Legierung DAL-2324 jedoch eine andere Wirkung zu haben. Über circa 0,2 Gew.-% bewirkt eine Zugabe von weiterem Zinn, dass die Zugfestigkeit und die Streckgrenze abnehmen, wenngleich die prozentuale Dehnung weiter ansteigt. Es wird angenommen, dass diese Trendänderung darauf zurückzuführen ist, dass eine Zugabe von Zinn oberhalb ungefähr 0,2 Gew.-% die Ausbildung der intermetallischen S-Phase unterdrückt. Dies unterstreicht die Veranschaulichung des Vorteils des Vorhandenseins der S-Phase für die Erhöhung der Härte der gesinterten Legierung, da ein Vergleich zwischen 0 Gew.-% Zinn und 1 Gew.-% Zinn zeigt, das ungeachtet analoger Zugfestigkeiten die Streckgrenze bei 1,0 Gew.-% Zinn um ungefähr 30 MPa geringer ist als die Streckgrenze bei 0,0 Gew.-% Zinn.
Weiterhin kommt auch eine keramische oder intermetallische Verstärkung des Pulvermetalls in Betracht. Eine solche Verstärkung könnte Al₂O₃, SiC und AlN umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt. Da diese Verstärkungen bei Sintertemperaturen für die Aluminiumlegierung stabil sind, könnten sie in die Pulvermetallmischung integriert werden, so dass sie nach dem Sintern im gesamten Volumen des Teils gleichmäßig verteilt sind. Diese Verstärkung könnte dem Teil bis zu 15 Volumenprozent zugesetzt werden. Eine solche Verstärkung würde den Elastizitätsmodul, die Abriebfestigkeit und die Festigkeit des Materials erhöhen. Beispielsweise wurden bei einem Satz von Proben, welche das Pulver DAL-2324 plus 5 Vol.-% SiC umfassten, messbare Verbesserungen bezüglich einer Reihe von Eigenschaften in dem resultierenden Material festgestellt. Bei den Teilen, die eine Verstärkung von 5 Vol.-% SiC enthielten, wurde ein Gewinn von ungefähr zehn Prozent für die Streckgrenze, die Zugfestigkeit und den Elastizitätsmodul beobachtet.
Wenngleich hier die derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung aufgezeigt und beschrieben worden sind, wird für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen an diesen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den anhängenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Gesintertes Pulvermetallteil, das einen aus Pulvermetallmaterial geformten Korpus umfasst, wobei das Pulvermetallmaterial eine Pulvermetallmischung aus einem zerstäubten Aluminiumpulver, einem Aluminium-Kupfer-Vorlegierungspulver und einem zerstäubten Magnesiumpulver umfasst, die verdichtet und gesintert ist, wobei beim Sintern eine intermetallische Phasen vom Typ S (CuMgAl₂) in dem Korpus gebildet wird und die S-Phase in einer Konzentration vorhanden ist, die zu einem verbesserten Ansprechen auf eine Kaltbearbeitungsverfestigung des Pulvermetallteils führt.
Pulvermetallteil nach Anspruch 1, wobei das Pulvermetallteil nach dem Sintern im Wesentlichen aus 4,4 Gewichtsprozent Kupfer und 1,5 Gewichtsprozent Magnesium besteht, wobei der Rest des Pulvermetallteils im Wesentlichen aus Aluminium besteht.
Pulvermetallteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pulvermetallmischung gegenüber standardmäßigen Pulvermetall-Legierungen des Typs AC2014 eine erhöhte Sinterreaktion zeigt.
Pulvermetallteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pulvermetallmischung gegenüber standardmäßigen Pulvermetall-Legierungen des Typs AC2014 eine verbesserte Makrohärte aufweist.
Pulvermetallteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pulvermetallmischung gegenüber standardmäßigen Pulvermetall-Legierungen des Typs AC2014 eine verbesserte Zugfestigkeit aufweist.
Pulvermetallteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Pulvermetallteil eine Nockenkappe für eine Motor-Nockenwelle ist.
Pulvermetallteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pulvermetallmischung Zinn bis zu ungefähr einem Gewichtsprozentanteil umfasst, der nicht die Bildung der intermetallischen Phasen vom Typ S hemmt.
Pulvermetallteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Härte des Pulvermetallteils 70 HRE übersteigt.
Pulvermetallteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sinterdichte des Pulvermetallteils 2,6 g/cm³ übersteigt.
Pulvermetallteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zerstäubte Aluminiumpulver luftzerstäubt ist.
Pulvermetallteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aluminium-Kupfer-Vorlegierungspulver aus 50 Gewichtsprozent Aluminium und 50 Gewichtsprozent Kupfer besteht.
Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Pulvermetallteils nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend: Mischen eines zerstäubten Aluminiumpulvers, eines Aluminium-Kupfer-Vorlegierungspulvers und eines zerstäubten Magnesiumpulvers, um eine Pulvermetallmischung zu bilden; Füllen einer Verdichtungsform mit der Pulvermetallmischung; Verdichten der Pulvermetallmischung in der Verdichtungsform zu einem Vorformling; und Sintern des Vorformlings, wobei beim Sintern eine intermetallische S-Phase (CuMgAl₂) gebildet wird und die S-Phase in einer Konzentration vorhanden ist, die zu einem verbesserten Ansprechen auf eine Kaltbearbeitungsverfestigung des Pulvermetallteils führt.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner den Schritt der Kaltbearbeitung des Pulvermetallteils umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Pulvermetallteil eine Nockenkappe für eine Motor-Nockenwelle ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Pulvermetallteil nach dem Sintern im Wesentlichen aus 4,4 Gewichtsprozent Kupfer und 1,5 Gewichtsprozent Magnesium besteht, wobei der Rest des Pulvermetallteils Aluminium ist.
Sinterfähige Pulvermetallmischung, umfassend: ein zerstäubtes Aluminiumpulver, ein Aluminium-Kupfer-Vorlegierungspulver, ein zerstäubtes Magnesiumpulver, und wobei die Pulver derart gemischt sind, dass sie eine Pulvermetallmischung bilden, die beim Verdichten und Sintern ein Pulvermetallteil mit einer intermetallischen S-Phase (CuMgAl₂) in einer Konzentration ergibt, die zu einem verbesserten Ansprechen auf eine Kaltbearbeitungsverfestigung des Pulvermetallteils führt, wobei das Pulvermetallteil nach dem Sintern im Wesentlichen aus 4,4 Gewichtsprozent Kupfer und 1,5 Gewichtsprozent Magnesium besteht, wobei der Rest des Pulvermetallteils Aluminium ist.
Pulvermetallmischung nach Anspruch 16, wobei ferner das zerstäubte Aluminiumpulver luftzerstäubt ist und das Aluminium-Kupfer-Vorlegierungspulver aus 50 Gewichtsprozent Aluminium und 50 Gewichtsprozent Kupfer besteht.
Pulvermetallmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pulvermetallmischung gegenüber standardmäßigen Pulvermetall-Legierungen des Typs AC2014 eine erhöhte Sinterreaktion zeigt.
Pulvermetallmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pulvermetallmischung gegenüber standardmäßigen Pulvermetall-Legierungen des Typs AC2014 eine verbesserte Makrohärte aufweist.
Pulvermetallmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pulvermetallmischung gegenüber standardmäßigen Pulvermetall-Legierungen des Typs AC2014 eine verbesserte Zugfestigkeit aufweist.
Pulvermetallmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner Zinn bis zu ungefähr einem Gewichtsprozentanteil umfasst, der nicht die Bildung der intermetallischen S-Phase hemmt.