-
Verfahren zur Herstellung gesinterter Legierungen auf der Basis Eisen-Nickel-Aluminium
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung gesinterter Metallegierungen
auf der Basis Eisen-Nickel-Aluminium, die gegebenenfalls weitere Elemente enthalten
können.
-
Die Erzeugung solcher Legierungen geschieht auf pulvermetallurgischern
Wege nach dem bekannten Stand der Technik in der Weise, daß die genannten Elemente
in Form von Pulvern in dem gewünschten Analysenverhältnis gemischt, anschließend
gepreßt und hierauf bei genügend hoher Temperatur eine genügend lange Zeit gesintert
werden, bis sie eine genügende Dichte erreicht haben. Hiervon hängen sowohl die
mechanische Festigkeit als auch die Güte der magnetischen Eigenschaften in entscheidendem
Maße ab.
-
Da es praktisch nur sehr schwer ist, eine völlig porenfreie Legierung
durch Sintern herzustellen, ist man bestrebt, eine Legierung zu erzeugen, die möglichst
wenic, Porenvolumen enthält.
-
Man versucht, dieses Ziel in bekannter Weise dadurch zu erreichen,
daß man das Sintern bei genügend hoher Temperatur dicht unterhalb des Schmelz- bzw.
Erweichun2spunktes durchführt.
-
Nach einer bestimmtei Winterzeit ist die Dichte normalerweise um so
grÖßer,jehöherdieTemperatur während der Sinterzeit war, wie es in Bild
1 schematisch dargestellt ist. Aus dieser Kurve läßt sich ein Temperaturintervall
J T entnehmen, in dem man sintern darf.. Die Dichte der Sinterkörper liegt dann
um höchstens -1 o tiefer als die Dichte des praktisch porenfreien Körpers Um daher
genügend porenfreie Körper zu erhalten, muß die Temperatur des Sinterofens in seinem
gesamten Nutzraum innerhalb des Temperaturintervalls J T liegen. Bei überschreitung
der Erweichungstemperatur ergeben sich Formänderun-en der Sinterteile durch Schmelzen;
solche Teile sind dann nur noch Schmelzschrott. Liegt die Sintertemperatur unterhalb
des Temperaturintervalls ,A T, so wird die erforderliche Dichte
nicht erreicht, und damit werden die mechanischen Festigkeits- als auch die Magnetwerte
beeinträchtigt.
-
Die für die Praxis zulässige Temperaturspanne ist jedoch noch kleiner
als die Differenz A T. Sie beträgt nur J T, mit
Rücksicht auf die Sicherheit der betrieblichen Fertigung, um nicht bei jeder kurzzeitigen
überschreitung der Erweichungstemperatur Ausfall durch Schmelzschrott zu bekommen.
Zur Konstanthaltung der Ofentemperatur kann man besonders konstruktive Maßnahmen
bei der Anordnung der Heizelemente im Ofen treffen und den Ofen mit Regeleinrichtungen
versehen, die jedoch bei der Kleinheit des zulässigen Regelintervalls bei einer
relativ hohen absoluten Temperatur aufwendig und kostspielig sind.
-
Eine besondere Rolle beim Sintern spielen die nichtmetallischen Verunreinigungen.
Als besonders schädlich für das Dichtsintern von Metallegierungen auf der Basis
Eisen-Nickel-Aluminium hat sich der Sauerstoff erwiesen. Er muß bereits im Ausgangspulver
in genügend niedriger Konzentration vorhanden sein und darf insbesondere während
der Sinterperiode nicht angeboten werden. Man erreicht dieses Ziel z. B. dadurch,
daß man die besonders sauerstoffempfindlichen Elemente, wie Aluminium oder Titan,
in die Mischung in Form einer Vorlegierung einbringt, die weniger sauerstoffempfindlich
ist als das einzelne Element, und das Sintern in inerter oder reduzierender Atmosphäre
oder unter genügend niedrigem Druck, z. B. kleiner als 1 Torr, durchführt.
-
Dem Fachmann seit langem bekannt ist ferner die schädliche Wirkung
des Kohlenstoffs, der zwar in manchen Fällen nicht das Dichtsintern behinderL wohl
aber die magnetischen Werte beeinträchtigt. Man hat daher dafür zu sorgen, daß sein
Gehalt in den Ausgangspulvern -enü,-end klein ist oder daß er in der Legierung in
unschädlicher Form abgebunden ist.
-
Es ist ferner bekannt, daß sich bei Gußlegierungen auf der Basis Eisen-Nickel-Aluminium
die Festigkeit durch Zusätze von einigen zehntel Gewichtsprozent Schwefel steigern
läßt. Dieser Effekt ist deswegen erwünscht, weil der Gußkörper infolge seines verhältnismäßig
grobkristallinen Gefüges eine merklich geringere Festigkeit besitzt als der gesinterte
Körper mit seinem verhältnismäßig feinkristallinen Gefüge. Eine damit verbundene
Steigerung der Dichte oder der magnetischen Kennwerte ist jedoch nicht bekannt und
auch nicht zu erwarten, da Gußle-lerungen C
normalerweise
bereits fast die theoretisch mögliche Dichte besitzen.
-
Weiterhin ist bekannt, daß Zusätze von einigen zehntel Gewichtsprozent
Schwefel zu Sintereisen die Zugfestigkeit und die Dehnung verbessern können. Eine
Dichtesteigerung tritt hierbei nicht ein.
-
Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß durch
den Zusatz von Schwefel zu dem Ausgangspulver für gesinterte Metallegierungen der
Grundzusammensetzung Eisen-Nickel-Aluminium eine merkliche sinterfördemde,
d. h. dichtesteigernde Wirkung erreicht wird, als deren Folge sich entsprechende
Steigerungen der magnetischen Kennwerte und auch der meaanischen Festigkeit ergeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung gesinterter Metallegierungen auf
der Basis Eisen#Nickel-Aluminium, gegebenenfalls unter Zusatz von einem oder mehreren
der Elemente Kobalt, Kupfer, Niob, Tantal, Titan, Zirkonium und Silizium, ist dadurch
gekennzeichnet, daß eine mindestens 0,01 % Schwefel enthaltende Mischung
gesintert wird.
-
Schwefel ist, z. B. bei Eisen, in den Ausgangspulvern als natürliche
Verunreinigung enthalten, der Gehalt liegt dabei aber in der Größenordnung von
0,005 %. Man war bisher bestrebt, den Schwefelgehalt, wie auch den von Phosphor,
Sauerstoff und Kohlenstoff, möglichst gering zu halten. überraschenderweise kann
jedoch durch den erfindungsgemäßen Schwefelzusatz das Sinterverhalten der Legierungen
auf Eisen-Nickel-Aluminium-Basis ganz erheblich verbessert werden. Schwefelhaltige
Mischungen erlauben eine Verkürzung der Sinterzeit bei gleicher Sintertemperatur
oder eine Vergrößerung des zulässigen Sinterintervalls A T,
bei gleicher Sinterzeit. Für die betriebliche Fertigung ist besonders die Vergrößerung
des Sinterintervalls von erheblicher Bedeutung. Man hat es also in der Hand, bei
entsprechender Vergrößerung des Sinterintervalls auch gegebenenfalls die Sinterzeit
herabzusetzen. Eine Wirkung zeigt sich bereits, wenn die Mischung etwa
0,01 % Schwefel enthält. Der Schwefelgehalt kann bis zu 1 % betragen.
Eine besonders günstige Beeinflussung ergibt sich bei Schwefelgehalten. von 0,02
bis Der Schwefel kann in der Mischung in Form von gepulvertem Schwefel, sogenannter
Schwefelblume, enthalten sein. lEs ist aber auch möglich, Schwefel in Form einer
gepulverten Vorleffierung, z. B. als Schwefeleisen, Schwefelkobalt oder Schwefelnickei,
mit Gehalten von z. B. etwa 30 bis 35 1/o Schwefel der Ausgangsmischung
zuzusetzen. Eine andere Mbglichk6t ist die des Einbringens in Forrneiner Nickel-Aluminiurn-Schwefel-,
Eisen-Alurainium--Schwefel-oder einer ähnlichen Vorlegierung.
-
Die Aeisgaiigsinischungen haben folgende Zusammensetzung: # bis 40
ü/o Nickel, 3 b-is 25 0/v Aluminium, Rest Eisen, Schwefel und die
üblichen Verunreinigungen sowie gegebenenfalls als weitere Bestandteile Titan, Kupfer,
Niob, Tantal, Silizium und Zirkonium einzeln oder zu mehreren.
-
Das Veqfahren läßt sich auch mit Vorteil bei solchen Legierungen anwenden,
die nachdem Sintern in bekannter Weise ein-er Wärmebehandlung im Magnetfeld unterworfen
werden. Die Ausgangsmischungen haben hierbei folgende Zusammensetzung:
10 bis 25 "/o Nickel, 5 bis 15 % Aluminium, bis zu
50011 Kobalt, Rest Eisen, Schwefel und die üblichen Verunreinigungen sowie
gegebenenfalls als weitere Bestandteile Titan, Kupfer, Niob, Tantal, Silizium und
Zirkonium einzeln oder zu mehrere h.
-
Der in der Ausgangsmigdhung enthaltene Schwefel verbleibt im wesentlichen
in der Legierung, so daß des fertiggesinterte Produkt je Aach der Höhe &s
ursprünglich in der Mischung enthaltenen Schwefeh 0,01 bis 1%, vorzugsweise 0,02
bis 0,11/o Schwefel enthält.
-
Die sinterfördernde Wirkung eines Schwefelgehaltes in der Ausgangsmischung
soll nachstehend an Hand einiger Ausführungsbeispiele und an Hand von B i
1 d 2 näher erläutert werden. Ausführungsbeispiel 1
Es wurden zwei
Ausgangsmischungen der gleichen Zusammensetzung (24111,n Cb, 131/o Ni, 80/.o Al,
3 % Cu, Rest Eisen) verwendet, wobei jedtch einer Mischung ein Schwefelzusatz
von 0,03 % in Färn# von Schwefeleisen mit einem Schwefelgehalt von etwa -#501o
beigemischt wurde. Aus diesen Ausgangsmischungen stellte man je fünf Sintetkörper
her, die in einem Sinterofen bei einern 1)ruck veh 5 - 10-3 Torr gesintert
wurden. Der Sinterofen v&-s ein Temperaturgefälle in einem. Bereich von
1300
bis 1400' C auf. Die Sinterkörper wurden an verschiedenen Stellen
des Ofens, also an venchitden heißen Stellen, etwa 3 Stunden gegihtert.
-
Das Ergebnis der Sinterung hinsichtlich der erreichten Dichte der
Sinterkörper ist in B i 1 d 2 dar-
gestellt. Dabei gibt Kurve
1 die Dichte der ffinf ohne Schwefelzusatz gesinterten Körper in Abhängigkeit
von der Sintertemperatur wieder, während Kurve 2 die Dichte der mit einem Schwefelzusatz
gesinterten fünf Körper darstellt.
-
Die sinterfördernde Wirkung des Schwefels hat also das zulässige Sinterintervall
A T auf mindestens 100' C erweitert, während nach Kurve
1 brauchbmt Sinterkörper mit einer Dichte von 7, 10 bis
7,25 g/cin3 nur in einem Tümperaturintervall von etwa 15' C
(1380
bis 13951 Q erhalten wurden.
-
Die aus einer schwefelhaltigen Ausgangsmischung gesinterten Körper
enthielten etwa 0,02 bis 0,0311/o Schwefel, während die ohne Schwefelzusatz gesinterten
Körper einen solchen von 0,0050/1) aufwiesen, was dem üblichen Prozentsatz der Schw«-elverun"
reinigung entspricht.
-
Die magnetischen Werte der Sinterkörper, die den Proben von Kurve
2 von B i 1 d 2 entsprechen, be-
trugen: Remanenz #-# 12000 Gaüß, Koerzitivfeldstärke
BH, ## 590 Oersted, (BR#",-Wert # 4,-S - 119 G - Ge.
-
Von den Sinterkörpem ohne SchwefeL-üsatz (Kurve
1, B i
1 d 2) hatten dägegen nur die bei 139101
C gesinterte'n Körper magnetische
Werte,
die
-etwas über den vorerwähnten Mindegtwerten für Sinterkörper mit'Schwefelzusatz
liegen, während
t%
unter 13801
C gesinterten Körper ohne Sth*efelzusatz
weit geringere rn-agftetischt Werte aufwksen, Ausführungsbeispiel 2 In einer weiteren
Versuchsreihe wuräen vier Probender gleichen Ausgangsmischung wie im Augfühmngsbeispiel
1 heTgestellt, vondenenzweiPmbm einen hatürlichen Schwefelgehalt von 0,005'0/-o
aewiesen, während die beiden anderen Proberi zusW&-lich 0,05% Schwefel in Form
von Schwvfele-#sen enthielten.
Die Sinterung erfolgte
1 Stunde in einer Wasserstoffschutz,-asatmosphäre. Die sinterfördernde Wirkung
des Schwefelzusatzes sowie die magnetischen Werte gehen aus der nachstehenden Tabelle
hervor.
| S-Gehalt Koerzitiv- |
| Sintertemperatur der Ausgangs Dichte Remanenz feldstärke
(BH)max-Wert |
| mischung 106 G - Oe |
| D C g/CM3 G oe |
| 1370 0,005 6,8 11500 580 4,4 |
| 1370 0,055 7,12 12300 595 5,0 |
| 1395 0,005 6,9 11600 605 4,5 |
| 1395 0,055 7,19 12600 595 5,1 |