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Verfahren zur Herstellung von Formkörpern oder Strangpreßerzeugnissen
aus Aluminiumpulver oder Aluminiumlegierungspulver Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung von Formkörpern oder Strangpreßerzeugnissen aus Aluminiumpulver
oder Aluminiumlegierungspulver durch Warmpressen des Pulvers und Warmverformung
des Preßlings.
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Mit dem Verfahren werden Erzeugnisse hergestellt, deren Eigenschaften
besser sind als die Eigenschaften entsprechender aus Gußmetall hergestellter Gegenstände.
Der Ausdruck »Aluminium« bezieht sich sowohl auf Aluminium als auch auf Legierungen,
in denen dieses Element vorherrscht. Der Ausdruck bezieht sich auch auf pulverförmige
Gemische von Metallen, in denen das Aluminiumpulver oder ein Aluminiumlegierungspulver
den Hauptbestandteil bildet.
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Das neue Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß das lose Pulver
unter einem Druck von nur 0,35 bis 70 kg/cm2 während einer Zeit von einer Viertelstunde
bis 36 Stunden bei einer Temperatur zwischen 450°C und der Liquidustemperatur bzw.
dem Schmelzpunkt des Aluminium gepreßt wird, bis der Preßling eine Dichte von mindestens
30 °/a der Dichte des kompakten Metalls hat, und daß dann dieser vorläufige Preßling
in bekannter Weise durch Warmverformung weiter verdichtet und in die endgültige
Form gebracht wird.
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Es sind in den letzten Jahren große Fortschritte bei der Herstellung
von zahlreichen Erzeugnissen aus nicht aluminiumartigen Pulvern, insbesondere aus
Eisenpulver, gemacht worden. Die Erzeugnisse haben Vorteile, die in den aus dem
vollwandigen Metall hergestellten ähnlichen Gegenständen nicht vorhanden sind. Es
gibt zwei Arten von aus Pulver erzeugten Erzeugnissen. Bei der einen Art wird das
Pulver zu der fertigen Form gepreßt, während bei der anderen Art zuerst ein Block
oder eine andere einfache Form hergestellt wird, die dann auf die endgültige Form
verarbeitet oder geformt wird. Auf dem Gebiete der Herstellung von Erzeugnissen
aus Aluminiumpulver sind die Fortschritte nur langsam gewesen, da Schwierigkeiten
bei der Herstellung einer guten Verbindung zwischen den Metallteilchen auftreten
und das Pulver auch an den Wänden der Gesenkform anhaftet. Versuche, die bei der
Benutzung von anderen Metallpulvern angewendeten Verfahren auch bei Aluminiumpulver
zu verwenden, sind ohne Erfolg geblieben oder haben nur teure oder unbefriedigende
Erzeugnisse ergeben. Es ist bereits bekannt, Aluminiumpulver oder Aluminiumlegierungspulver
bei sehr hohem Druck und bei erhöhten Temperaturen zu verdichten und anschließend
die Form des auf diese Weise geformten Preßlings durch maschinelle Bearbeitung zu
ändern, wie dies in der deutschen Patentschrift 756 272 beschrieben ist. Auch ist
es bekannt, durch Pressen bei hohen Drücken und Temperaturen von 100 bis 600°C,
Sintern und Schmieden Fertigteile aus Aluminium auf pulvermetallurgischem Weg herzustellen
oder solche Körper herzustellen durch Kaltpressen, gegebenenfalls Warmpressen und
Warmverformung, wobei aber immer Preßdrücke von mindestens einigen hundert Kilogramm
je Quadratzentimeter, in der Regel aber wesentlich höhere Drücke, angewandt wurden.
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Mit der Erfindung sollen diese bekannten Schwierigkeiten überwunden
und ein wirtschaftlich günstiges und verwertbares Verfahren zur Herstellung von
Formerzeugnissen aus Aluminiumpulver angegeben werden. Vor allem soll ein Verfahren
geschaffen werden, bei dem die aus Aluminiumpulver bestehenden Vorpreßlinge ohne
die Anwendung hoher Drücke verdichtet werden, damit sie mittels der üblichen Strangpreß-
oder Schmiedeverfahren verarbeitet werden können. Durch die Anwendung niedriger
Drücke wird das Verfahren einfacher und wirtschaftlicher. Die Vorpreßlinge sind
so fest, daß sie leicht gehandhabt werden können.
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Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß aus Aluminiumpulver hergestellte
Erzeugnisse leicht aus Pulverpreßlingen angefertigt werden können, die unter einem
verhältnismäßig geringen Druck bis zu 70 kg/cm2
geformt worden sind,
während die Pulvermasse auf eine Temperatur im Bereich von 450°C und der Liquidustemperatur
der Legierung oder dem Schmelz-punkt des Aluminiums,-falls eine Legierung
nicht ver-
wendet wird, so lange Zeit gebracht worden ist, daß der Preßling
eine Dichfe vön mindestens 30 °/o des Festmetalls angenommen hat. Am Ende der Erwärmungsdauer
kann die verdichtete Masse auf Raumtemperatur abgekühlt oder als Vorbereitung zu
einer Warmverarbeitung auf einer erhöhten Temperatur gehalten und unmittelbar in
die zur Warmverarbeitung bestimmte Vorrichtung übertragen werden. Beim Abkühlen
des Preßlings auf Raumtemperatur wird der Preßling bei der Warmverarbeitung von
neuem erwärmt. Eine Schutzatmosphäre ist während des Verdichtens und Erwärmens nicht
erforderlich, wenn das Pulver nicht der Ofenatmosphäre ausgesetzt wird. Dagegen
ist die Verwendung einer Schutzatmosphäre erwünscht, wenn das Pulver nicht abgedeckt
wird oder wenn es mit der Ofenatmosphäre in Berührung kommt.
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Die Aluminiumpulver, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verdichtet
und warm verarbeitet werden, können schuppenartige Pulver oder Staubpulver sein.
Es ist eine große Zahl von Teilchengröße zulässig, doch sollten die Teilchen nicht
größer sein als Teilchen, die ein Sieb mit 35 Maschen je Zoll linear passieren können,
d. h. kleiner als 0,5 mm. Zur Herstellung von Formgegenständen höchster Festigkeitswerte
ist jedoch die Verwendung von Pulvern erwünscht, die eine sehr feine Maschengröße
passieren können, beispielsweise ein Sieb mit 325 Maschen je Zoll linear, d. h.
kleiner als 0,04 mm. Unter bestimmten Umständen ist es auch ratsam, Pulver verschiedenartiger
Größe zu verwenden und diese Pulver gründlich zu mischen, ehe eine Verdichtung der
Masse erfolgt. Die Wahl der Pulverform und das Verhältnis der verschiedenen Größen
ergibt sich in den einzelnen Fällen aus Versuchen und liegt im Bereich der auf diesem
Gebiet tätigen Fachleute.
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Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Metallpulver kann
aus Aluminium geringer Reinheit, beispielsweise einer Reinheit von 99 °/o, bis zu
dem Aluminium höchster Reinheit, wie es erhältlich ist, bestehen, oder es kann aus
Teilchen aus Aluminiumlegierungen bestehen, oder es kann aus einem Gemisch von Aluminiumteilchen
und den gewünschten Legierungselementen zusammengesetzt sein. Die Elemente, die
auf diese Weise dem Aluminium entweder in legierter Form oder in Elementform zugesetzt
werden, sind diejenigen Elemente, wie sie üblicherweise bei Aluminiumlegierungen
Verwendung finden, z. B. Kupfer, Magnesium, Silizium, Zink, Mangan, Eisen und bestimmte
hochschmelzende Elemente. Die Elemente können in den Mengen vorhanden sein, wie
sie üblicherweise in den festen Metallegierungen verwendet werden, beispielsweise
bis zu 10 °/o Kupfer, bis zu 1501, Silizium, bis zu 100/, Zink und bis zu
100/, Magnesium. Hochschmelzende Elemente, wie Titan, Bor und Zirkonium, können
in Mengen bis zu 0,50/, verwendet werden. Es kann notwendig oder erwünscht sein,
den legierten Preßling oder das erhaltene Erzeugnis einer bestimmten Wärmebehandlung
zu unterwerfen, um eine Diffusion der Legierungselemente in der Aluminiummasse mit
oder ohne eine anschließende Ausscheidungs-Härtungs-Behandlung zu sichern. Diese
Wärmebehandlungen sind auf dem Gebiete bekannt und bilden keinen Teil des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Außer dem Aluminium und den Legierungselementen ist noch eine bestimmte
Menge von Aluminiumoxyd im Pulver und den aus dem Pulver hergestellten Erzeugnissen
vorhanden. Ein natürlicher Oxydüberzug bildet sich auf den Aluminiumteilchen, wenn
die Teilchen der Luft ausgesetzt werden, weil das Aluminium oxydiert. Die Oxydmenge
je Einheit des Metallgewichtes nimmt mit abnehmender Teilchengröße zu. Das Vorhandensein
des Oxydes hat sich als vorteilhaft herausgestellt, und zwar besonders dann, wenn
das Erzeugnis bei seiner Verwendung erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird. Es ist
sogar manchmal erwünscht, während der Herstellung des Pulvers eine Oxydation hervorzurufen,
um den Oxydgehalt des Pulvers zu erhöhen und auf diese Weise gewisse Eigenheiten
der verdichteten Erzeugnisse zu verbessern. Die Menge des vorhandenen Oxydes kann
sich je nach den gewünschten Eigenheiten über einen weiten Bereich ändern, soll
jedoch für gewöhnlich zwischen 0,1 und 30 Gewichtsprozent betragen.
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Zur Herstellung des Ausgangspreßlings wird eine Pulvermenge in eine
Kammer oder ein Gesenk eingebracht, das mittels eines Kolbens oder eines anderen
gleitbaren, dichtschließenden Paßstückes abgeschlossen wird. Eine vorteilhafte Anordnung
für die Herstellung großer Mengen besteht aus einer Reihe von Behältern, die bei
Raumtemperatur und Raumdruck einzeln gefüllt werden können und in deren offenes
Ende ein Kolben oder eine andere Verschlußvorrichtung paßt. Ein zweckdienlicher
geringer Druck kann dann auf den Kolben oder den Verschluß ausgeübt werden, bevor
der Behälter in die Erwärmungskammer eingeführt wird, oder der Druck kann zur Einwirkung
gebracht werden, nachdem der geschlossene Behälter in den Ofen eingesetzt worden
ist. In einigen Fällen genügt es, ein Gewicht auf den Kolben oder den anderen Verschluß
aufzusetzen und dafür zu sorgen, daß das Gewicht so lange in seiner Stellung bleibt,
bis die Erwärmungsstufe und Abkühlungsstufe beendet worden ist. Der gleitbare Verschluß
muß natürlich genügend Masse haben, damit er das notwendige Gewicht hat und den
notwendigen Druck auf die Pulverladung ausübt. Ein anderes Verfahren besteht darin,
einen druckbeaufschlagten oder federbeaufschlagten Kolben zu verwenden. Da der zur
Einwirkung gebrachte Druck nur gering ist, kann er mittels einer einfachen Vorrichtung
ausgeübt werden, so daß besondere Pressen und Hochdruckvorrichtungen nicht erforderlich
sind. Hierdurch wird eine wesentliche Vereinfachung in der Herstellung von Pulverpreßlingen
erreicht.
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Die Größe des zum Festigen der Pulvermasse erforderlichen Druckes
ist verhältnismäßig niedrig und ist bedeutend kleiner als der Druck, der zum Strangpressen
der Masse erforderlich ist oder der bisher als notwendig angesehen wurde. Es wurde
festgestellt, daß Drücke von einigen zehn Gramm bis zu 70 kg/cmE genügen, um die
notwendige Verdichtung des Pulvers innerhalb des angegebenen Temperaturbereiches
zu erzielen. Vorzugsweise soll der Druck innerhalb des Bereiches von 0,35 bis 56
kg/cma liegen.
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Bei diesem Druck wird die Pulverladung auf eine Temperatur erwärmt,
die ein Plastischwerden, Fließen und ein teilweises Verschweißen der Metallteilchen
sichert. Temperaturen, die innerhalb des Bereiches von 450°C und der Liquidustemperatur
der Legierung oder dem Schmelzpunkt von Aluminium (ungefähr 660°C) liegen, erreichen
dieses Ergebnis. Liegt die Temperatur
in dem unteren Abschnitt des
Bereiches, so sind eine längere Erwärmungszeit und ein höherer Druck erforderlich.
Beste Ergebnisse zeigten sich jedoch bei einer Temperatur von mindestens 540°C.
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Die unter Druck erfolgende Erwärmung des Pulvers soll so lange durchgeführt
werden, bis der Preßling eine Dichte von mindestens 300/, der Dichte des
vollwandigen Metalls hat. Eine höhere Dichte von 5001,
oder mehr wird üblicherweise
bevorzugt, um die Unversehrtheit des Preßlings zu sichern. Die gewünschte Wirkung
kann auch in kürzerer Zeit innerhalb des oberen Abschnittes des Temperaturbereiches
und bei Drücken oberhalb 7 kg/cm2 erreicht werden. Die Größe des Preßlings muß bei
der Auswahl von Zeit und Temperatur berücksichtigt werden. Die Erwärmungsdauer kann
von einer Viertelstunde bis 36 Stunden dauern.
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Der Druck kann während der Abkühlungsperiode beibehalten oder gesenkt
werden. Nach dem Abkühlen des Preßlings auf Raumtemperatur werden alle Oberflächenmängel
entfernt und der Preßling von neuem auf die Warmbearbeitungstemperatur erwärmt.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Preßling ist so fest, daß
er dieser Hantierung und diesen Bearbeitungsvorgängen widersteht.
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In einigen Fällen kann es erwünscht sein, den warmen Preßling vor
seinem Verformen in der Warmbearbeitungsvorrichtung in einen Wärmeausgleichofen
einzusetzen.
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Erfahrungsgemäß haben die nach dem erwähnten und mit geringem Druck
ausgeführten Verfahren erzeugten Preßlinge aus Aluminium eine so hohe Dichte und
Kohäsion, daß sie den beim Reinigen, Erwärmen, Strangpressen und Schmieden üblichen
Hantierungsvorgängen widerstehen. Die Aluminiumteilchen werden mindestens teilweise
während des mit geringem Druck erfolgenden Verdichtungsvorgangs miteinander verbunden,
während bei dem anschließenden Warmbearbeiten eine weitere Verbindung erfolgt.
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Zum Warmbearbeiten soll der Preßling vorzugsweise eine Temperatur
von 315 bis 625'C haben, wobei die gewählte genaue Temperatur teilweise von dem
Bearbeitungsvorgang und von der Zusammensetzung des Preßlings bestimmtwird. Und
zwar soll beim Schmieden der Preßling eine Temperatur zwischen 370 und 425'C haben,
während das Strangpressen bei einer Temperatur zwischen 370 und 625°C erfolgen kann.
Die üblichen Warmbearbeitungsverfahren und die übliche Ausrüstung kann zur Herstellung
der Preßlinge mit Vorteil verwendet werden. Nach dem Warmverarbeiten kann das Erzeugnis
gewünschtenfalls kalt bearbeitet werden.
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Einer der Vorteile, die sich durch die Verwendung von niedrigen Drücken
beim Verdichten von Aluminiumpulver ergeben, besteht darin, daß der verdichtete
Körper so porös ist, daß der Austritt von allen flüchtigen Stoffen, die während
der Verdichtung entwickelt werden, möglich ist. Dies ist von großer Wichtigkeit,
da einige Aluminiumpulver in Gegenwart von flüchtigen Kohlenwasserstoffen zerkleinert
werden und da es kostspielig und auch gefährlich ist, das Pulvererzeugnis vor dem
Verdichten zu trocknen.
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Das Verfahren wird durch folgende Beispiele näher erläutert 1. Eine
Ladung aus schuppenartigem Aluminiumpulver, das zu 98 °/o aus Teilchen von 99,5
°/o reinem Aluminium ausschließlich Oxyd besteht, die ein Maschensieb mit 325 Maschen
je Zoll linear passieren, wurde in ein Graphitrohr von 16,5 cm Innendurchmesser
und 122 cm Länge auf eine Höhe von 91 cm gefüllt. Eine dichtschließende Graphitscheibe
wurde dann auf die Oberseite der Pulverbeschickung aufgelegt und ein Gewicht auf
die Scheibe aufgesetzt, das einen Druck von 3,8 kg/cm2 auf das Pulver ausübte. Das
Rohr mit der Beschickung wurde dann in einen der Luft zugänglichen Ofen in aufrechter
Stellung eingesetzt und während einer halben Stunde auf 635°C erwärmt. Rohr und
Inhalt wurden dann auf Raumtemperatur im Ofen gekühlt und der Pulverpreßling aus
dem Rohr ausgestoßen. Der auf diese Weise geformte Preßling hatte eine Dichte von
1,6 g/cm3 oder etwa 59 °/o der Dichte des vollwandigen Metalls. Der Preßling wurde
von seiner Außenschicht befreit, von neuem auf 482°C erwärmt und zu einer Stange
gepreßt, die einen Durchmesser von 19 mm und eine gleichförmige Dichte hatte. Proben,
die von dieser Stange abgefräst wurden, hatten bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit
von 25,2 kg/mm2, eine Streckgrenze von 16,8 kg/mm2 und eine Dehnung von 15 °/o.
Andere Proben, die während 1000 Stunden auf 315'C
erwärmt und bei dieser Temperatur
erprobt wurden, hatten eine Zugfestigkeit von 11,2 kg/mm2, eine Streckgrenze von
10,5 kg/mm2 und eine Dehnung von 17 °/o. Ein Aluminiumblech von 99,2 °/o Reinheit
größter Härte, bekannt unter der Bezeichnung H 18, hatte bei einer Raumtemperatur
die folgenden typischen Eigenheiten: Zugfestigkeit 16,8 kg/mm2, Streckgrenze 15,4
kg/mm2 und Dehnung 50/,. Bei 315'C
hatte dasselbe Material folgende
typische Eigenheiten: Zugfestigkeit 1,7 kg/mm2, Streckgrenze 1,0 kg/mm2 und Dehnung
900/,.
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II. Aluminiumstaub von 99,5 °/o Reinheit und Teilchen, die zu 100°/o
ein Maschensieb von 325 Maschen je Zoll linear passierten, wurde in ein Graphitrohr
derselben Abmessungen wie im Beispiel I auf eine Höhe von 91 cm eingeschüttet. Eine
Graphitscheibe wurde in den Zylinder eingepaßt und ein Druck von 3,7 kg/cm2 auf
das Pulver in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 zur Einwirkung gebracht. Das
gefüllte Rohr wurde in aufrechter Stellung in einem der Luft zugänglichen Ofen einer
Temperatur von 638'C ausgesetzt und während einer Viertelstunde auf dieser Temperatur
gehalten. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur im Ofen wurde der Preßling aus dem
Rohr ausgestoßen und hatte eine Dichte von 1,2 g/cm3 oder 45°/o der Dichte des vollwandigen
Materials. Der Preßling wurde abgedreht, von neuem auf 480°C erwärmt und zu einer
Stabform gepreßt. Die Prüfung des Stabes zeigte, daß der Stab einen gleichförmig
dichten Aufbau hatte. Bei Raumtemperatur hatten die vom Stab abgeschnittenen Probestücke
eine Zugfestigkeit von 18,9 kg/mm2, eine Streckgrenze von 11,9 kg/mm2 und eine Dehnung
von 25 °/o. Andere von dem Stab abgeschnittene Probestücke hatten nach einer während
100 Stunden erfolgenden Erwärmung auf 315°C bei dieser Temperatur eine Zugfestigkeit
von 8,4 kg/mm2, eine Streckgrenze von 7,0 kg/mm2 und eine Dehnung von 18 °/o.