DE1284628B

DE1284628B - Verfahren zur Herstellung metallkeramischer Werkstoffe

Info

Publication number: DE1284628B
Application number: DE1961D0036339
Authority: DE
Inventors: Deventer Gert; Ruebel Werner; Waldhueter Werner
Original assignee: Deventer Werke GmbH
Current assignee: Deventer Werke GmbH
Priority date: 1961-06-15
Filing date: 1961-06-15
Publication date: 1968-12-05
Also published as: GB1013932A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur technisch reinen Metallen oder Metallegierungen, die Herstellung metallkeramischer Körper, bei dem ein mit Oxydträgern, wie Metalloxyden (FeO, MnO, Metallpulver oder ein Metallpulvergemisch mit Oxyd- CuO usw.), Nitraten, Chloraten, Chromaten, Diträgem und Reduktionsmitteln zu Formkörpern ver- chromaten, Permanganaten und auch gleichzeitig mit preßt und einer Wärmebehandlung ausgesetzt wird. 5 Reduktionsmitteln, wie leicht oxydierbarem Kohlen-Dabei strebt die Erfindung eine einfache Herstellungs- stoff (kein Graphit), Kohlenstoffträgern, Sulfiden weise an, die es ermöglicht, sauerstoffaffinere Metall- (vor allem Disulfide und Polysulfide), Phosphiden und partikelchen auf wirtschaftlichere Weise in neutraler sauerstoffaffineren Elementen, wie Zink, Zinn, ver- oder sogar oxydierender Atmosphäre zu Preßkörpern mischt werden. Die möglichst homogene Mischung zu verarbeiten. io wird vor, während oder nach dem Preßvorgang auf

Bei der Herstellung von metallkeramischen Körpern Zündtemperatur gebracht. Auf Grund physikalischer im Heißpreß- oder Sinterverfahren mußte bisher stets und chemischer Eigenschaften der miteinander reagiedarauf geachtet werden, daß die verwendeten Metall- renden Stoffe entsteht ein Formling, der in seinen pulverteilchen oxydfrei verpreßt wurden. Sie durften Eigenschaften einem schmelzmetallurgisch gewonnenen in ihrer Kontaktfläche keine oder nur geringe Oxyd- 15 Werkstoff entspricht. Die erfindungsgemäße Lehre, schichten enthalten, um ein Verschweißen der mitein- Oxydträger und Reduktionsmittel in geeigneter Ausander reagierenden Partikelchen zu ermöglichen. wahl zum Zweck der Ausnutzung des exothermen

Häufig kann man diesen Schwierigkeiten dadurch Prozesses gleichzeitig anzuwenden und dadurch die

begegnen, daß man die Pulverteilchen in reduzierender von außen aufzubringende Sintertemperatur zu redu-

Atmosphäre behandelt, oder eine Substanz zu dem 20 zieren, läßt sich aus dem Stand der Technik nicht

Metallpulver zumischt, welche, wie z. B. Holzkohle, den entnehmen.

Sauerstoff durch chemische Bindung entfernen kann. Es ist ferner noch bekannt, sehr harte und ver-

Es ist ferner bekannt, bei der pulvermetallurgischen schleißfeste Körper, wie z. B. Werkzeuge, durch Herstellung von Formkörpern den Ausgangsstoffen Pressen von gepulvertem Aluminium und Eisenoxyd gepulverte Metallhydride als Reduktionsmittel zuzu- 25 herzustellen. Hierbei können metallische Zusätze mischen und das Sintern in Luft auszuführen (deutsche sowie auch Zusätze von SiC₂ oder Kohlenstoff beiPatentschrift 688 269). Der bei diesem Verfahren gegeben werden. Insbesondere sollen metallische frei werdende Wasserstoff verbindet sich mit den Zusätze ein späteres Aufschweißen oder Auflöten oxydierenden Gasen und reduziert schon gebildete der Körper auf Drehlinge u. dgl. begünstigen (deutsche Metalloxyde. Gegen die Verwendung der sehr hygro- 30 Patentschrift 922 278). Dabei wird jedoch grundsätzskopischen Hydride bestehen jedoch wegen des bei lieh die Erstellung von Oxyden angestrebt, und alle diesem Verfahren gebildeten Wasserdampfes erhebliche verfahrenstechnischen Maßnahmen dieser Lehre dienen Bedenken. Auch wird die Wirtschaftlichkeit dieser dazu, die Oxyde zu erhalten bzw. zu erneuern und zu Lehre in Zweifel gezogen. verbessern. Die Verminderung der aufzubringenden

Erfindungsgemäß wird demgegenüber vorgeschlagen, 35 Sintertemperatur wegen der hinzukommenden Energie

metallkeramische Produkte derart herzustellen, daß aus exothermer Reaktion ist diesem Stand der Technik

dem Metallpulver zum Zweck der Erzielung einer ebenfalls nicht entnehmbar.

exothermen Reaktion geeignete Oxydträger und Beim Gegenstand der Erfindung liegen die Zünd-

Reduktionsmittel in einer Menge von je etwa 0,5 bis temperaturen und damit die Arbeitstemperaturen in

5% beigegeben werden und der Körper nach seiner 4° der Regel zwischen 400 bis 800° C bei Kupfer-Werk-

Verpressung in einer beliebigen Ofenatmosphäre unter Stoffen und zwischen 600 bis 950° C bei Werkstoffen

Ausnutzung des durch die Zusätze entstehenden auf Eisenbasis. Die bisherigen Sintertemperaturen

exothermen Prozesses bei relativ niedrigen Tempera- werden in der Regel unterschritten. Auch die sonst

türen geglüht wird. Die Anwesenheit von Oxydträgern notwendige reduzierende Atmosphäre bei der Ver-

und Reduktionsmitteln gleichzeitig und in der ange- 45 arbeitung von Eisenpulver ist nicht mehr erforderlich,

gebenen Größenordnung in einer Metallpulvermenge und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein

verbürgt schon bei sehr niedrigen Zündtemperaturen Arbeiten in oxydierender Atmosphäre. In diesen Fällen

eine exotherme Reaktion, und die resultierende positive muß der Anteil an Reduktionsmitteln erhöht werden.

Wärmetönung bewirkt eine lokale Verschmelzung der Besonders beachtlich sind die Reaktionen mit

Partikelchen, ohne daß spezifisch leichtere Stoffe 50 positiver Wärmetönung, die ein Verschweißen der

ausgetrieben werden. Derartige Stoffe, z. B. Graphit, metallischen Mischungskomponenten auch bei niedri-

können in einer Menge bis zu 40 Volumprozent im gen Arbeitstemperaturen hervorrufen. Die Vorgänge

Sinterkörper enthalten sein. Im übrigen bestehen die kann man durch chemische Formeln in folgenden

keramischen Produkte aus einem oder mehreren Beispielen kennzeichnen:

Beispiel A

a) MoS₂ + Wl =Mo+2S

b) 2 S + 4 FeO = 4 Fe + 2 SO₂ + W 2

MoS₂ + 4 FeO + W1 = Mo + 4 Fe + 2 SO₂ + W 2

Das Reduktionsmittel in diesem Beispiel ist Molybdändisulfid und der Oxydträger Ferrooxyd; W 2 ist größer als W1, daher eine positive Wärmetönung.

Beispiel B

a) 12 NaNO₃ + Wl =6 Na₂O + 12 NO + 18 [0]

b) 9 FeS + W 2 = 9 Fe + 9 S

c) 9 S + 18 [O] = 9 SO₂ + W 3

12 NaNO₃ + 9 FeS + (W 1 + W 2) = 6 Na₂O + 12 NO + 9 Fe + 9 SO₂ + W 3

Das Reduktionsmittel ist FeS und der Oxydträger Natriumnitrat; W 3 ist größer als die Summe W 1 und W 2.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn man Oxydträger und Reduktionsmittel in sehr kleinen und kleinsten Korngrößen dem Gemenge aus metallischen Komponenten und Festschmierstoffen oder nur den Metallpulvern zugibt. Auch ist der prozentuale Anteil nach oben mit etwa 5 °/„ begrenzt. Diese Grenze wird durch die Reduktionsprodukte bestimmt, die, wie im Beispiel 2, fest und gasförmig sein können und durch Gasdruck eine Volumenveränderung bewirken, d. h. zu Rißbildungen im Formkörper führen können.

Je nach Anforderung an den Werkstoff können Werkstoffe auf Eisenbasis mit den üblichen Eisenbegleitern, reine Kupferwerkstoffe oder Kupferlegierungen mit und ohne Graphit oder auch mit und ohne flüchtige Bestandteile hergestellt werden. Wesentliches Merkmal ist, daß allen Stoffgemengen geeignete Oxydträger und Reduktionsmittel in einer Größenordnung von je 0,5 bis 4°/₀ zugeordnet werden.

In speziellen Fällen werden leichtflüchtige Bestandteile, wie z. B. Phenolharze, verwendet, die nach dem Heißpreß- oder Sinterverfahren Hohlräume hinterlassen, die dann mit Fetten, Ölen, Graphit und sonstigen Schmiermitteln ausgefüllt werden. Durch diese Möglichkeit kann ein größeres Porositätsvolumen geschaffen werden, das den Porenraum herkömmlicher Sinterwerkstoffe übertrifft.

Die technologischen Eigenschaften eines derart hergestellten Formkörpers auf Eisenbasis entsprechen in ihrer Zugfestigkeit dem mittleren Bereich der DIN-Normen für Grauguß-Legierungen, wobei die Verformbarkeit zwischen 3 und 8% und die Druckfestigkeit um das Vierfache höher liegt als bei nach herkömmlichen Herstellungsverfahren gefertigten Formkörpern gleicher Zusammensetzung. Die Zugfestigkeit kupferhaltiger Sinterwerkstoffe, z. B. von Cu-Zn-Legierungen, entspricht derjenigen von im Schmelzfluß hergestellten.

Die Erfindung soll an Beispielen erläutert werden; die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt. Es kann beispielsweise ein zweimaliges Pressen erfolgen, gegenüber einer einmaligen Pressung, wie im Beispiel dargestellt. Auch können bei entsprechender Dosierung der Oxydträger und der Reduktionsmittel die Zündtemperaturen und damit die Arbeitstemperaturen tiefer liegen.

Beispiel 1

Werkstoff auf Eisenbasis, zu dessen Herstellung ein Eisenpulver mit etwa 3% Eisenbegleitern mit 8% Naturgraphit, l°/₀ NaNO₃ und 0,75 % Phosphor homogen vermischt und zu einem zylindrischen Formkörper verpreßt wird. Nach dem Preßvorgang wird der Körper auf eine Temperatur von 830 bis 85O⁰C erhitzt. Die Glühdauer beträgt 10 Minuten. Es wurde eine Druckfestigkeit von 1200 bis 1500 kp/cm², eine Zugfestigkeit von 6 bis 9 kp/mm² und eine Brinellhärte von 65 bis 75 kp/mm² ermittelt.

Beispiel 2

Einem analysengleichen Eisenpulver mit ebenfalls 8 7o Naturgraphit werden 2,5 °/₀ Molybdändisulfid und 1,0 °/o Natriumnitrat zugegeben. Nach dem Preßvorgang wird die Wärmebehandlung der Formkörper verschieden durchgeführt. Der erste Formling wird Minuten bei einer Temperatur von 800⁰C geglüht, während ein zweiter bei 850⁰C geglüht und anschließend noch einmal heiß gepreßt wird. Die technologische Prüfung ergibt folgendes:
Die Brinellhärte des nur geglühten Formkörpers beträgt 70 kp/mm², die des heißgepreßten 66 kp/mm². Dagegen ist die Druckfestigkeit des ersteren 1500 bis 2000 kp/cm² und die Zugfestigkeit 8 bis 10 kp/mm², während die Druckfestigkeit des heißgepreßten Formlings 2000 bis 2600 kp/mm² beträgt. Bei diesen Festigkeitsangaben muß berücksichtigt werden, daß 8°/₀ Gewichtsanteilen Graphit etwa 15 bis 25 Volumprozent entsprechen. Damit wurden die Festigkeitseigenschaften rein metallischer Formkörper weitaus günstiger liegen.

Beispiel 3

6O°/o Kupferpulver werden mit 30°/₀ Zinkpulver, 5°/o Graphit, 3% Molybdändisulfid, l°/₀ Cupro-Oxyd und l°/₀ Natriumnitrat homogen vermischt und zu Formkörpern verpreßt. Es folgt anschließend eine Glühung ohne Reduktionsatmosphäre bei einer Temperatur von 550⁰C. Der Formkörper entspricht in seinen qualitativen Eigenschaften etwa einer Messinglegierung und hat zudem weitaus bessere Schmier- und Notlaufeigenschaften.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung metallkeramischer Körper, bei dem ein Metallpulver oder ein Metallpulvergemisch mit Oxydträgern und Reduktionsmitteln zu Formkörpern verpreßt und einer Wärmebehandlung ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Metallpulver zum Zweck der Erzielung einer exothermen Reaktion geeignete Oxydträger und Reduktionsmittel in einer Menge von je etwa 0,5 bis 5°/₀ beigegeben werden und der Körper nach seiner Verpressung in einer beliebigen Ofenatmosphäre unter Ausnutzung des durch die Zusätze entstehenden exothermen Prozesses bei relativ niedrigen Temperaturen geglüht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Metallpulver oder dem Metallpulvergemisch Kolloidalgraphit bis ^Volumprozent zugesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpulver eine Größen-Ordnung von maximal 500 Mikron und die Oxydträger und Reduktionsmittel eine maximale Größe von 200 Mikron aufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Reduktionsmittel Phosphor, Kohlenstoff, Schwefel oder deren Verbindungen oder Zink oder Zinn verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxydträger Eisenmonoxyd (FeO), Kupfer(II)-oxyd (CuO), Kaliumchlorat (KClO₃), Natriumnitrat (NaNO₃) oder Kalziumsulfat (CaSO₄) verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der metallischen Komponenten bis maximal 40 Gewichtsprozent durch leichtflüchtige Bestandteile, wie Holzkohle, Phenolharze u. ä., oder durch indifferenten Naturgraphit ersetzt werden.