DE1483173B1 - Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen eines feinkörnigen Legierungsgegenstandes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen Legierungsgegenstandes, der mehr als 50 Gewichtsprozent eines Basismetalls enthält, dessen Oxid beim Schmelzpunkt des Metalls nicht durch Wasserstoff reduziert wird.

Die Pulvermetallurgie erlaubt, schwierig geformte Gegenstände auf einfache Weise dadurch herzustellen, daß man die jeweiligen metallischen Komponenten in Pulverform vermischt, das Gemisch in eine geeignete Preß- oder Sinterform bringt, um dem w Gemisch die gewünschte Gestalt zu erteilen und dann das geformte Gemisch sintert. Dabei muß die bei der Sinterung angewandte Temperatur hoch genug sein, die Pulverpartikel zur Diffusion zu bringen, um auf diese Weise einen im wesentlichen homogenen Gegenstand zu erhalten. Es gibt indes bestimmte Metalle, die sich pulvermetallurgisch überhaupt nicht oder nur unter großen Schwierigkeiten verarbeiten lassen. Zu diesen Metallen gehört vor allem das Aluminium, das die Eigenschaft hat, sich rasch mit einer inerten Oxidschicht zu überziehen. Eine solche Oxidschicht wirkt auf den Aluminiumteilchen als Isolierschicht, die eine ausreichende Diffusion zwischen benachbarten Partikeln verhindert. Bei Anwendung pulvermetallurgischer Verfahren auf Aluminium sind die erhaltenen Produkte durch grobe Oberflächenfehler und uneinheitliches Aussehen gekennzeichnet und enthalten oft Löcher oder Blasen oder sogar beides. Theoretisch gesehen konnten einige der Probleme, die in der Pulvermetallurgie des Aluminiums auftreten, dadurch umgangen werden, daß man vollständig reines Aluminium verwendet und das ganze Verfahren in völliger Abwesenheit irgendwelcher oxidierender Stoffe, z. B. Wasserdampf, durchführt. Die Einhaltung solcher Bedingungen ist jedoch praktisch fast unmöglich.

In »Technical Publication Nr. 1574« des American Institute of Mining and Metallurgical Engineers (1943) erläutern Cremer und Cο rd i aη ο einige der in der Pulvermetallurgie des Aluminiums auftretenden Probleme. Die beiden Autoren geben an, daß zur Erzielung brauchbarer Ergebnisse die zur Formung des Pulvergemisches verwendete Preß- oder Sinterform mit ebenen Metallplättchen ausgekleidet werden müßte. Dieses plättchenförmige Metallpulver wurde in Tetrachlorkohlenstoff suspendiert und in Form eines dünnen Filmes auf die Formwandungen aufgesprüht, um dort eine nahezu undurchlässige Schicht zu bilden. In manchen Fällen wurde dem Tetrachlorkohlenstoff eine Fettsäure oder eine Seife zugesetzt. Selbst unter diesen Vorsichtsmaßnahmen hat es sich bei dem von C r e m e r und C ο r d i a η ο durchgeführten Verfahren als notwendig erwiesen, zur Erzielung guter Resultate Preßdrucke in der Größenordnung von 7875 kp/cm² anzuwenden. Eine solche Ausfütterung der Form und ein solcher Preßdruck waren sogar dann erforderlich, wenn das Aluminium nicht als einziger Bestandteil, sondern im Gemisch mit anderen legierbaren Pulvern vorlag.

In der USA.-Patentschrift 2 115 651 wird ausgeführt, daß die Sinterung in einer völlig wasserfreien Atmosphäre durchgeführt werden muß. Bei diesem Verfahren wird die Sinterung bei einer Temperatur durchgeführt, die etwa zwei Drittel des unter Berücksichtigung der Einwaage ermittelten Durch-Schnitts der Schmelzpunkte der in der Mischung vorliegenden Elemente beträgt. Nach den gegebenen Beispielen scheint die Temperatur so gewählt zu sein, um die Sinterung unterhalb der eutektischen Temperatur durchzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten Schwierigkeiten zu überwinden, und zur Lösung dieser Aufgabe erfolgt die pulvermetallurgische Herstellung eines feinkörnigen Legierungsgegenstandes, der mehr als 50 Gewichtsprozent eines Basismetalls enthält, dessen Oxid beim Schmelzpunkt des Metalls nicht durch Wasserstoff reduziert wird, in folgender Weise:

1. Die Pulvermischung einer Korngröße von mindestens 3 bis 1600 Mikron wird bis zu einer Dichte von nicht mehr als 98% der theoretischen Dichte verformt, dadurch, daß

a) der Preßdruck auf 472,5 kp/cm² beschränkt wird oder

b) bei über diesem Wert liegenden Preßdrucken 0,25 bis 5,0 Gewichtsprozent eines Gleitmittels verwendet werden, das sich beim Erhitzen des Preßkörpers bis auf etwa 400° C verflüchtigt;

2. Der Preßkörper wird zur Sinterung mit einer Temperatursteigerung von mindestens 20, vorzugsweise 50 grd/Minute in einer feuchtigkeitshaltigen Atmosphäre mit einem Taupunktsbereich von —51,1 bis -28,9° C erhitzt.

. Als Basismetalle können z. B. Aluminium, Magnesium, Titan, Beryllium, Zink oder Blei verwendet werden.

Die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Legierungsgegenstände zeichnen sich durch ihre Regelmäßigkeit, ihre Einheitlichkeit und Ebenheit und dadurch aus, daß sie keine Ausbuchtungen, Unregelmäßigkeiten und makroskopische Löcher aufweisen. Sie sind ferner durch sehr hohe Zug- und Druckfestigkeiten sowie eine ausgezeichnete Duktilität und eine Bruchdehnung von mehr als 5% gekennzeichnet. Legierungsgegenstände, die mehr als 90 Gewichtsprozent Aluminium enthalten, besitzen eine Druckfestigkeit von mehr als 5624 kp/cm², häufig sogar von mehr als 703 kp/cm² mit einer Durchbiegung von mehr als etwa 3% beim Bruch. Solche druckfesten Gegenstände lassen sich besonders vorteilhaft als Lager verwenden. Die erfindungsgemäßen Legierungsgegenstände eignen sich auch hervorragend zum Kaltschmieden.

Die Form der für das Verfahren der Erfindung verwendeten Aluminiumpartikeln ist, soweit das Aluminiumpulver in Form von Nadeln, Drahtschnipseln, Spänen u. dgl. vorliegt, unwesentlich. Kugelförmige Partikelchen sind jedoch im allgemeinen schwerer zu verpressen als anders geformte. Es können daher alle nicht kugeligen Aluminiumpartikeln verwendet werden, deren durchschnittliche Größe mehr als etwa 3 Mikron beträgt. Bei Verwendung kleinerer Aluminiumpartikeln treten, abgesehen von der Gefahr einer Explosion, auch Schwierigkeiten beim Einfüllen in die Preßform auf. Die maximale Partikelgröße hängt von dem Endprodukt, der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung und der notwendigen gleichmäßigen Durchmischung der Komponenten ab. Wenn die Produkte als schmiedbare Preßlinge für heißes und kaltes Schmieden oder zum Strangpressen bei Preßdrucken von über 0,21 kp/cm² verwendet werden, sollen die Aluminiumpartikeln nicht

zu grob sein und vorzugsweise ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 1,651 mm passieren. In manchen Fällen ist es möglich, 12,7 mm große Aluminiumpartikeln zu verwenden, die granuliert vorliegen.

In Tabelle 1 sind handelsübliche, für das Verfahren der Erfindung brauchbare Aluminiumpulver angegeben, deren Korngrößen-Verteilung in Volumprozent angegeben ist. Die Zerkleinerung des Materials erfolgte an der Luft.

Tabelle

Korngrößen verteilung	Typ A	Typ B	TypC	Typ D
Lichte Maschen weite (= Korngröße), Mikron, Volumprozent 149	11,0 13,4 14,5 11,5 14,0 35,6 keine 1,115	39,5 16,5 15,5 8.2 10,6 9,7 94 see 1,165	23,0 59,4 16,9 0,6 0,0 0,05 93 see 1,042	0 0 0 0,05 10,8 89,0 keine 0,902
149 bis 105
105 bis 74
74 bis 53
S3 bis 44
bis 44
Fließgeschwindigkeit, sec/50 g Dichte, g/ccm

Außerdem kann im Handel erhältliches, aus der Schmelze zentrifugal zerstäubtes Aluminiumpulver verwendet werden. Typische Beispiele dieser Art haben die folgende Größe:

	Tabelle 2	Schüttgewicht
Länge	Durchmesser	g'ccm
mm	mm	1,176
2,37	0,35	1,152
1,30	0,23	1,148
1.04	0,18	0,996
1,35	0,26

30

35

Der Aluminiumgehalt des Pulvergemisches, der größer als 99% sein kann, hängt von den gewünschten Eigenschaften des Endproduktes, von der Qualität der Gleitmittel und von anderen Zusätzen ab. Es ist vorteilhaft, aber nicht Bedingung, daß das veiwendete Aluminiumpulver relativ rein, z. B. ein in Helium zerstäubtes Aluminium ist; in diesem Fall ist die Dicke der Oxidschicht um die Aluminiumpartikeln auf ein Minimum beschränkt. Es kann jedoch auch in der Luft zerstäubtes Aluminium verwendet werden, ohne die Ergebnisse wesentlich zu beeinträchtigen. Die im Aluminium enthaltenen Verunreinigungen sind so gering als möglich zu halten und sollten vorzugsweise nicht mehr als etwa 1 % betragen.

Wenn ein nur aus Aluminium bestehender Gegenstand hergestellt werden soll, brauchen dem Pulver natürlich keine weiteren Metalle zugesetzt werden. Bekanntlich können jedoch sowohl die Festigkeitsais auch andere Eigenschaften des Aluminiums durch Zusatz anderer legierbarer Elemente verbessert werden. Beispielsweise weist eine Aluminium-Kupfer-Legierung mit einem Kupfergehalt von etwa 5% eine höhere Festigkeit als reines Aluminium auf. Zur Erzielung guter Festigkeitseigenschaften ist deshalb die Mitverwendung einer kleinen Menge Kupfer als Legierungsbestandteil vorteilhaft. Die Art des verwendeten Kupferpulvers ist nicht ausschlaggebend. Zur Herstellung eines dichten Gegenstandes hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn das Pulvergemisch eine kleine Menge flockenförmiges Kupfer enthält. Wenn der Verdichtungsdruck ausreicht, das Pulvergemisch auf eine Dichte von über 85% der theoretischen Dichte zu verpressen, dienen die Kupfer-Hocken nicht nur der Legierungsbildung, sondern sie wirken gleichzeitig als ein zusätzliches Gleitmittel, das das Verdichten sowie das Auswerfen der Preßkörper aus der Preßform erleichtert. Zu diesem Zweck kann die Pulvermischung, bezogen auf ihr Gewicht, etwa 1 bis 5 Gewichtsprozent Kupfer-Hocken enthalten. Es muß jedoch darauf geachtet werden, der Pulvermischung nur so viel Kupferflocken zuzusetzen, daß keine sichtbare Streifenbildung auftritt. Wenn die Teilchengröße des Aluminiumpulvers sehr klein ist, können ohne Streifenbildung bis zu 10% Kupferflocken verwendet werden.

Übliche Kupferflocken, die verwendet werden können, haben im allgemeinen eine Dicke von 2 bis 0,00127 Mikron und je Flocke eine Fläche von etwa 9,67 ■ 10'⁹ bis 31,6 · 10"⁶ cm². Bevorzugt werden Flocken mit einer Dicke von 0,203 bis 0,0127 Mikron und einer Fläche von 0,96 · 10"⁷ bis 31,6 · 10~⁷ cm².

Bei der Herstellung von Legierungen mit größerem Kupfergehalt, oder wenn auf die verbessernden Eigenschaften der Kupferflocken keine Rücksicht genommen werden muß, können die Kupferflocken teilweise oder auch ganz durch Kupferpulver ersetzt werden. Bei der Verwendung von Kupferpulver wird die Partikelgröße so gewählt, daß die Partikeln ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,044 mm passieren können und nicht größer sind. Grobe Kupferpulver neigen dazu, im Endprodukt makroskopische Löcher zu bilden. Sind jedoch solche Löcher im Endprodukt erwünscht, so kann Kupferpulver von größerer Partikelgröße verwendet werden.

Kupfer kann teilweise oder vollständig durch andere legierbare Zusätze, z. B. Magnesium, Aluminium-Magnesium-Legierungen, Silizium-Aluminium-Legierungen, Zink oder Messing ersetzt werden. Bestimmte Zusätze, wie Silizium, werden nur in vorlegierter Form zugesetzt. Die pulverförmigen Zusätze sollen ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,71 mm bzw. zur Vermeidung makroskopischer

Löcher ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,044 mm passieren. Die jeweiligen Konzentrationen der verschiedenen legierbaren Elemente werden unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Endproduktes gewählt. Auch hier wird die Verdichtung erleichtert, wenn etwa 1 bis 5 Gewichtsprozent der legierbaren Zusätze in Flockenform vorliegen.

Die Gesamtmenge der Zusätze kann bis zu etwa 45% betragen; zur Erzielung bester physikalischer Eigenschaften kommen weniger als etwa 10%, vorzugsweise etwa 1 bis etwa 8%> legierbare Zusätze in Frage.

In manchen Fällen tritt bei einem Kupfergehalt von mehr als etwa 2% eine Schrumpfung des Preßkörpers ein, die durch Zusatz einer geeigneten Menge Magnesium verringert und auch vollständig verhindert werden kann. Das Magnesium wird entweder in elementarer Form oder mit Aluminium vorlegiert verwendet. Die Verwendung von Magnesium hat den weiteren Vorteil, daß die Sinterungsdauer verkürzt, eine Entfärbung des Produktes vermindert, erhöhte Festigkeit und Zähigkeit des Endproduktes sowie eine erhöhte Ansprechbarkeit bei der Nachhärtung erreicht werden. Bei Erhöhung des Magnesiumgehalts über die zur Vermeidung der Schrumpfung notwendige Menge kann eine Ausdehnung des Produktes eintreten, die in manchen Fällen erwünscht ist. Zur Verringerung einer Schrumpfung durch Zugabe von Magnesium soll das Pulvergemisch mindestens etwa 2%, im allgemeinen nicht mehr als etwa 8% Kupfer und mindestens etwa 0,05% Magnesium enthalten. Zur Beeinflussung der Schrumpfung ist eine Magnesiummenge von über 1% nicht notwendig, jedoch sind manchmal zusätzliche Mengen bis zu etwa 10% erforderlich. In manchen Fällen ist es zweckmäßig, bis zu 20% Magnesium zu verwenden.

In vielen Fällen tritt bei der Sinterung eine Schrumpfung ein, wenn dem Aluminium Zink-Kupfer-Legierungen, wie beispielsweise Messing, zulegiert werden. 4c Bei Verwendung von aluminiumhaltigen Legierungen kann auch Silizium die durch Zusatz von Kupfer oder Messing bewirkte Schrumpfung ausgleichen, ist jedoch keinesfalls so wirksam wie Magnesium.

Der günstige Einfluß des Magnesiums auf Aluminium-Kupfer-Legierungen kann völlig oder teilweise verlorengehen, wenn das Pulvergemisch bestimmte zusätzliche Metalle, z. B. Mangan, Nickel oder Eisen, enthält. Diese Metalle wirken der Verbesserung der Zugfestigkeit durch Magnesium entgegen und werden daher vorzugsweise den Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierungen nicht zugesetzt, wenn nicht durch sie besondere Wirkungen erreicht werden sollen. Im allgemeinen sollen bei Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierungen Verunreinigungen auf ein Mindestmaß beschränkt werden. Wenn Magnesium-Aluminium-Vorlegierungen verwendet werden, sind Verunreinigungen zu vermeiden oder jedenfalls unter 1 Gewichtsprozent, bezogen auf die Vorlegierung, zu halten.

Das dem Pulvergemisch bei einem Preßdruck von über 472,5 kp/cm² in einer Menge von 0,25 bis 5,0 Gewichtsprozent zugesetzte Gleitmittel soll mit keinem der in der Mischung vorhandenen Komponenten reagieren und nicht oxydierend wirken. Das Gleitmittel, das sowohl eine Flüssigkeit als auch ein Pulver sein kann, soll bei einer Temperatur zwischen etwa 100⁰C und der eutektischen Temperatur der jeweiligen Metallpulvermischung vollständig verdampfen. Vorzugsweise sollte die Verflüchtigung unterhalb etwa 400⁰C stattfinden. Zu diesem Zweck haben sich organische, nicht oxydierende Verbindungen, z. B. hochmolekulare Amide, als besonders vorteilhaft erwiesen. Es können aber auch gesättigte Kohlenwasserstoffe, z. B. Paraffinöl, mit ausreichend hohen Siedepunkten verwendet werden. Im allgemeinen können die bekannten in Preßformen verwendeten Gleitmittel eingesetzt werden.

Bei dem Verfahren der Erfindung hat das Gleitmittel nicht nur die Funktion eines Schmiermittels. Die bei der Sinterung verdampfenden, in der Pulvermischung vorhandenen Verunreinigungen bilden im Preßkörper Gasporen; das entweichende Gas kann das Aussehen der Oberfläche des Preßlings nachteilig beeinflussen. Auch das Gleitmittel verdampft, und zwar schnell, wenn das Pulvergemisch auf die Sintertemperatur erhitzt wird. Das Gleitmittel tritt aus dem Preßkörper aus und bildet in diesem untereinander verbundene Poren von mikroskopischer Größe, durch welche bei fortschreitender Sinterung die verdampfenden Verunreinigungen entweichen können.

Für die Herstellung eines Lagers werden Preßdrucke von etwa 472,5 bis 6 300 kp/cm² angewandt, um die gewünschte Dichte von 60 bis 95% der theoretischen Dichte zu erreichen.

Wenn poröse Legierungsgegenstände, z. B. zur Verwendung als Filter hergestellt werden sollen, ist ein Preßdruck von 0 bis etwa 8 kp/cm² ausreichend. Als porös gelten solche Gegenstände, die nach der Verdichtung eine Dichte bis zu 85% der theoretischen Dichte der jeweiligen Mischung aufweisen. Die theoretische Dichte errechnet sich aus der Dichte und der volumetrischen Konzentration jeder einzelnen für das Gemisch eingesetzten Komponente. Bei einer Dichte von mehr als 98% der theoretischen Dichte verschwindet im allgemeinen jegliche Porosität.

Die verdichtete Pulvermischung muß rasch auf Sintertemperatur erhitzt werden. Die Sintertemperatur wird empirisch ermittelt. Die für ein gegebenes System ermittelte Sintertemperatur liegt oberhalb der eutektischen Temperatur, aber unterhalb der Schmelztemperatur des Basismetalls. Der Ausdruck »eutektische Temperatur« bezeichnet in diesem Zusammenhang den aus der metallurgischen Terminologie bekannten Schmelzpunkt des eutektischen Gemisches, die peritektische Temperatur oder, falls kein binärer oder kein eutektischer Polymetalleffekt beobachtet wird, den Schmelzpunkt des am niedrigsten schmelzenden, in der Mischung vorhandenen Metalls. Für den Fall, daß nur ein einziges Metall vorliegt, wird die eutektische Temperatur hier willkürlich als eine Temperatur definiert, die 50 grd unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls liegt. Bei vielen Legierungen liegen die optimalen Bedingungen etwa zwischen der Solidus- und der Liquidustemperatur.

Innerhalb dieses Temperaturbereiches, der im allgemeinen eine Streuung von 70 bis 200 grd aufweist, wird mit dem Ausdruck »optimale Temperatur« die Temperatur bezeichnet, bei welcher die Diffusion der Legierungsbestandteile oder der Aluminiumpartikeln mit genügender Schnelligkeit verläuft, um innerhalb einer wirtschaftlich tragbaren Zeitspanne ein Produkt mit den gewünschten Eigenschaften zu gewährleisten. Bei jedem Gemisch wird die jeweilige optimale Temperatur innerhalb der festgesetzten

Grenzen etwas variieren und muß daher von Fall zu Fall bestimmt werden. Zur Bestimmung der optimalen Temperatur werden von einer vorgegebenen Zusammensetzung zweckmäßigerweise verschiedene kleine Proben hergestellt und jede dieser Proben nach dem Verfahren der Erfindung bei einer Temperatur innerhalb der angegebenen Grenzen gesintert, wobei die einzelnen Sinterungstemperaturen um etwa 20 grd voneinander abweichen. Aus der Bruchfestigkeit der verschiedenen Proben wird dann der Bereich der optimalen Temperatur bestimmt. Für jedes Gemisch wird die optimale Temperatur normalerweise um etwa 15 bis 20 grd schwanken. Bei Aluminium-Magnesium- und Aluminium-Kupfer-Legierungen beträgt die Sintertemperatur im allgemeinen mehr als etwa 600⁰C.

Das Erhitzen des Gemisches auf Sintertemperatur muß so rasch als möglich erfolgen. Die Temperatursteigerung kann mit einer Geschwindigkeit von 20 bis etwa 600 grd/Minute erfolgen. Die Festigkeitseigenschaften des Endproduktes sind um so besser, je höher die Erhitzungsgeschwindigkeit war; wird andererseits zu schnell erhitzt, so können sich Blasen bilden. Daher muß die optimale Erhitzungsgeschwindigkeit für ein vorgegebenes Pulvergemisch nach einem empirischen Ermittlungsverfahren bestimmt werden. In den meisten Fällen beträgt das Minimum einer wirksamen Erhitzungsgeschwindigkeit mindestens etwa 40, vorzugsweise 50 grd/Minute. Obwohl zweckmäßigerweise die Pulvermischung mit hoher Geschwindigkeit von Raumtemperatur bis zur Sintertemperatur erhitzt wird, kommt es lediglich darauf an, dieses schnelle Erhitzen von der Verflüchtigungstemperatur des Gleitmittels, mindestens aber von einer Temperatur von 400° C bis zur Sintertemperatur durchzuführen.

Die Sinteratmosphäre muß sorgfältig überwacht werden; sie muß gegenüber den in der Pulvermischung vorliegenden Komponenten inert sein und nicht oxydierend wirken. In vielen Fällen ist ein reduzierendes Medium, z. B. Wasserstoff, von Vorteil, Die Anwendung stickstoffhaltiger Schutzgase führt nur dann zu befriedigenden Ergebnissen, wenn Magnesium Legierungsbestandteil ist.

Besondere Sorgfalt muß auf den Feuchtigkeitsgehalt der Atmosphäre verwendet werden, die während der Sinterung halb trocken, jedoch nicht feuchtigkeitsfrei sein soll. Da bei dem Verfahren der Erfindung die Anwesenheit eines beschränkten Feuchtigkeitsgehaltes die Bildung eines feinkörnigeren und festeren Produktes zu fördern scheint, ist ein beschränkter Feuchtigkeitsgehalt in der Sinterungsatmosphäre wesentlich. Der Feuchtigkeitsgehalt der bei dem Verfahren der Erfindung während der Sinterung angewandten Atmosphäre sollte so groß sein, daß die Atmosphäre in der Umgebung des gesinterten Materials einen Taupunkt von etwa —63 bis —23" C aufweist.

Entspricht der Feuchtigkeitsgehalt der Atmosphäre einem Taupunkt von über etwa — 23" C, so ist die Tendenz größer, die Probe während der Sinterung zu oxydieren, was eine beträchtliche Reduzierung der Festigkeitseigenschaften zur Folge hat. Taupunkte über -63⁰C sind unwirtschaftlich.

Es wird angenommen, daß ein begrenzter Feuchtigkeitsgehalt die Bildung eines Sintergerüstes beschleunigt, das bei der Sintertemperatur ein Zusammensinken, in manchen Fällen sogar ein Anschmelzen, verhindert. Dieses Phänomen ist bei relativ schweren Gegenständen von größter Bedeutung.

Vorzugsweise entspricht der Feuchtigkeitsgehalt der verwendeten Atmosphären Taupunkten zwischen -29 und -51° C.

Bei einer Sinterungsdauer von 10 Minuten, einer Erhitzungsgeschwindigkeit von 45 grd/Minute und einem Taupunkt der Ofenatmosphäre von -29⁰C wurden bei Aluminium-Kupfer-Gemischen mit verschiedenen Gehalten an Kupferflocken, die auf eine Dichte von 95% der theoretischen Dichte komprimiert worden waren und die '/2% eines organischen Gleitmittels enthielten, folgende Sintertemperaturen angewandt:

Tabelle 3

Gewichtsprozent	Sintertemperatur
Kupferflocken	0C
0	644 bis 648
2	630 bis 632
4	620 bis 635
5	610 bis 615
6	600 bis 605
8	595 bis 600

Besondere Bedeutung kommt der Tatsache zu, daß es bei dem Verfahren der Erfindung nicht notwendig ist, die Preß- oder Sinterform mit einem Schmiermittel zu versehen, um ein Anhaften an den Formwänden zu vermeiden, was bei vielen anderen Prozessen unvermeidlich ist.

Das Abkühlen des gesinterten Produktes nach der Sinterung ist für die Güte des Legierungsgegenstandes nicht entscheidend. Es kann langsam auf Raumtemperatur abgekühlt werden, indem man das Produkt im Ofen abkühlen läßt, oder es kann rasch abgekühlt werden, indem das Produkt durch Abschrecken od. dgl. gekühlt wird.

Die folgenden Beispiele sollen das Verfahren der Erfindung erläutern.

Beispiel 1
(Selbstschmierende Lager)

Ein Gemisch aus reinem Aluminiumpulver des in Tabelle 1 angegebenen Typs A, das als Zusatz Kupferflocken gemäß Tabelle 5 in den dort angegebenen Mengen enthielt, wurde V₂ Stunde lang gemischt und zu Lagern mit einem inneren Durchmesser von 1,27 cm, einem äußeren Durchmesser von 1,9 cm, einer Länge von 1,27 cm und einer Dichte von 77 bis 78% der theoretischen Dichte verpreßt. Die Preßkörper wurden auf einem Förderband in einem Sinterofen kontinuierlich in einer Wasserstoffatmosphäre gesintert. Die Geschwindigkeit des Förderbandes wurde so eingestellt, daß die Erhitzungsgeschwindigkeit auf Sintertemperatur nahezu 150 grd/Minute war. Der Taupunkt innerhalb des Ofens betrug -29⁰C.

Die gesinterten Produkte zeigten eine ausgezeichnete Zugfestigkeit. Wie aus der Tabelle 4 hervorgeht, hat eine Aluminium-Kupfer-Legierung mit einem

009 535/186

ίο

Kupfergehalt von 4 Gewichtsprozent eine Zugfestigkeit von 7,9 bis 9,0 kp/mm² und eine Aluminiumlegierung mit 4 Gewichtsprozent Kupfer und 0,6 Gewichtsprozent Magnesium eine Zugfestigkeit von 24,6 kp/mm². Wenn diese Gegenstände glasiert und mit einem Gleitmittel, z. B. einem hochmolaren organischen Amid imprägniert werden, weisen sie ausgezeichnete Lagereigenschaften auf.

Tabelle

Herstellung und Eigenschaften von porösen Lagern aus Aluminium-Kupfer-Legierungen und aus Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierungen

Zusammensetzung des Pulvergemisches

Verwendeter Sinterofen

Ofentemperatur

Sinterdauer

Dichte vor der Sinterung

Dichte nach der Sinterung

Maße vor der Sinterung

Optimale Maße nach der Sinterung. Porosität nach dem Sintern

Gewichtsprozent Cu,

Korngröße 149 bis 74 Mikron,

2 Gewichtsprozent

Cu-Flocken,

2 Gewichtsprozent

Gleitmittel,

Rest Al (Typ A) 2 Gewichtsprozent Cu,

Korngröße 149 bis 74 Mikron,

2 Gewichtsprozent

Cu-Flocken,

0,6 Gewichtsprozent Mg,

Korngröße 0,044 mm,

2 Gewichtsprozent

Gleitmittel,

Rest Al (Typ A)

Ofen mit einem durch die Muffel laufenden endlosen Förderband

45

Zugfestigkeit nach optimaler Sinterung....

AD = äußerer Durchmesser.
ID = innerer Durchmesser.

Beispiel 2 (Teile hoher Dichte)

Ein aus Aluminiumpulver des Typs A, 6 Gewichtsprozent Kupferflocken und V₂ Gewichtsprozent Gleitmittel bestehendes Gemenge wurde ^l/₂ Stunde lang vermischt. Das Gemisch wurde zu 5,08 cm langen Stäbchen mit einer Dichte von 95% der theoretischen Dichte verpreßt und die Stäbe kontinuierlich bei 625° C 8 Minuten lang in einem Sinterofen mit Förderband in Wasserstoffatmosphäre gesintert. Die Erhitzungsgeschwindigkeit auf Sintertemperatur betrug etwa 50 grd/Minute. Der Taupunkt innerhalb des Ofens betrug -24° C.

Wie die in der Tabelle 5 aufgeführten Ergebnisse zeigen, wiesen die gesinterten Produkte ausgezeichnete mechanische Eigenschaften auf.

593° C Bandgeschwindigkeit

20.4 Minuten in einer
Sinterungszone von 30,48 cm

77%

74,9%

19.05 mm AD, 12,57 mm ID,
12,45 mm lang

oben 19,23 mm AD, 12,70 mm ID, 12,75 mm lang

unten 19,23 bis 19,20 mm AD,
12,60 bis 12,70 mm ID,
etwa 20%

7,9 bis 9,0 kp/mm² 604⁰C

Bandgeschwindigkeit

3,4 Minuten in einer 30,48 cm

langen Sinterungszone

78,3%
76,3%

19,05 mm AD, 12,62 mm ID, 13,69 mm lang

oben 19,05 bis 19,15 mm AD, 19,15 mm AD, 12,65 bis 12,67 mm ID, 13,92 mm lang

unten 19,18 bis 19,24 mm AD, 12,67 bis 12,70 mm ID,

20%

etwa 24,6 kp/mm²

Tabelle 5

6o

Cu-Flocken	Zugfestigkeit	Dehnung	Rockwellhärte H
Gewichtsprozent	kp/mm2	%	kp/mm2
0	7,1	35	18
1	12,9	27	60
2,5	22,5	18	95
3	24,1	19	96
4	26,4	14	102
5	32,8	14	—
6	36,6	13	—

Beispiele 3 und

Aluminiumpulver mit einer maximalen Korngröße Magnesium mit einer maximalen Korngröße von von 175 Mikron, davon 35,6 Gewichtsprozent mit 65 44 Mikron und mit 0,5 Gewichtsprozent eines Fett-

säureamids als Schmiermittel vermischt. Aus diesem Gemisch wurden unter einem Druck von 3150 kp/cm²

einer maximalen Korngröße von 44 Mikron, wurde 30 Minuten lang mit 4 Gewichtsprozent Kupferflocken, 0,3 Gewichtsprozent in Helium zerstäubtem Stäbchen mit einer Größe von 3,18 χ 12,7 χ 101,6mm

hergestellt, die auf 95% der theoretischen Dichte verdichtet waren. Jedes Stäbchen wurde für sich in einer Atmosphäre disoziierten Ammoniaks mit einem Taupunkt von —29 bis -34⁰C gesintert und dann abgekühlt. Die Sintertemperatur und Dauer der Sinterung sowie die mechanischen Eigenschaften des gesinterten Materials sind nachfolgend in Tabelle 6 zusammengestellt. Aus den angegebenen Werten ergibt sich der eindeutige Einfluß der Sinterbedingungen auf die Eigenschaften des Endproduktes.

Tabelle

Beispiel	Erhitzungs geschwindigkeit grd/min	Taupunkt der Ofenatmosphäre 0C	Sinterdauer oberhalb 6000C Minuten	Höchst temperatur 0C	Sinterdauer bei Höchsttemperatur Minuten	Zugfestigkeit kp/mm2	Dehnung /o •
3 4	89 59	-29 bis -34 -29 bis -36	4 16	646 654	<1 <1	19,7 15,9	12 12

Beispiel 5

Handelsübliches, aus der Schmelze zentrifugal zerstäubtes Aluminiumpulver wurde mit 4% Kupferfiocken, 1,2% eines handelsüblichen, als Gleitmittel verwendeten Wachses sowie mit den in Tabelle 7 angegebenen Mengen Magnesiumpulver vermischt und unter einem Druck von fast 3150kp/cm² zu Stäbchen von 3,18 χ 12,7 χ 101,6 mm bis zu einer Dichte von 95% der theoretischen Dichte verpreßt. Jedes Stäbchen wurde für sich in einem Heizofen auf

eine Sintertemperatur von nahezu 645 bis 650⁰C in einer Atmosphäre disoziierten Ammoniaks gebracht, die in der Umgebung des sinternden Produkts einen Taupunkt von etwa —42° C hatte. Jede Probe wurde etwa 5 Minuten lang der Sinterungstemperatur ausgesetzt, aus dem Ofen genommen und auf Raumtemperatur abgekühlt. Die mechanischen Eigenschaften wurden unmittelbar nach dem Sintern und Abkühlen sowie nach 48stündiger Kaltauslagerung ge-

25 messen.

Tabelle

Magnesium	Erhitzungsgeschwindigkeit	Dehnung	Zugfestigkeit	Nach 48 Stunden	Kaltauslagerung
gehalt	von 400° C bis zur	%	kp/mm2
%	Sintertemperatur grd/min	12,5	17,0	Dehnung	Zugfestigkeit kp/mm2
ο,ι	7	18	16,8	9,5	16,6
0,1	53	15	16,9	17	16,9
ο,ι	80	5,5	14,8	15	16,5
0,3	7	9	17,7	3	15,5
0,3	53	11	16,7	5,5	18,8
0,3	80	3,5	11,1	6	17,7
0	31,5		5	7,2

Die Versuche zeigen den außergewöhnlichen Einfluß einer kleinen Menge Magnesium auf Aluminium-Kupfer-Legierungen. Sie zeigen außerdem, daß bei Magnesiumkonzentrationen unter etwa 0,3% eine Erhitzungsgeschwindigkeit Von weniger als 20 grd/ Minute angewendet werden kann, obwohl höhere Erhitzungsgeschwindigkeiten die Dehnung bedeutend verbessern.

Beispiel 6

Handelsübliches, aus der Schmelze zentrifugal zerstäubtes Aluminiumpulver wurde mit ¹I₁ ⁰I₀ eines handelsüblichen Wachses als Gleitmittel und verschiedenen Mengen Magnesium vermischt. Das Gemisch wurde unter einem Druck von weniger als 472,5 kp/cm² zu Stäbchen von 3,18x12,7 χ 101,6 cm mit einer Dichte von 95% der theoretischen Dichte verformt. Jedes Stäbchen wurde allein in einem Heizofen auf Sintertemperatur von ungefähr 645 bis 650° C gebracht. Durch den Ofen wurde disoziiertes Ammoniak in einer Menge von 8,496 m³/ Std. geleitet. Der Taupunkt betrug in der Nähe der Stäbchen etwa -5O⁰C. Jede Probe wurde etwa 3 Minuten lang auf Sintertemperatur gehalten, dann aus dem Ofen genommen und auf Zimmertemperatur abgekühlt. Das Produkt hatte unmittelbar nach dem Sintern und Abkühlen die folgenden mechanischen Eigenschaften:

	Erhitzungs	Dehnung %	Zugfestigkeit kp/mm2
Magnesium- gehalt	geschwindigkeit von 4000C bis zur Sintertemperatur
	grd/min	8,5	6,9
0,1	55	17	7,7
0,1	72,5	16	9,1
0,1	87	27	8,6
0,1	92,5	6	6,3
0,3	55	10	7,0
0,3	72,5	14	9,0
0,3	87	19	8,7
0,3	92,5	2,5	4,2
1,0	55	5	6,1
1,0	72,5	5	7,0
1,0	87	10	9,8
1,0	92,5	3,5	5,9
2,0	55	2	4,5
2,0	72,5	3,5	7,8
2,0	87	7	10,1
2,0	92,5

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen eines feinkörnigen Legierungsgegenstandes, der mehr als 50 Gewichtsprozent eines Basismetalls enthält, dessen Oxid beim Schmelzpunkt des Metalls nicht durch Wasserstoff reduziert wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

1. Die Pulvermischung einer Korngröße von mindestens 3 bis 1270 Mikron wird bis zu einer Dichte von nicht mehr als 98% der theoretischen Dichte verformt, wobei
a) der Preßdruck auf 472,5 kp/cm² beschränkt wird, oder

b) bei über diesem Wert liegenden Preßdrucken 0,25 bis 5,0 Gewichtsprozent eines Gleitmittels verwendet werden, das sich beim Erhitzen des Preßkörpers bis auf etwa 400⁰C verflüchtigt;

2. der Preßkörper wird zur Sinterung mit einer Temperatursteigerung von mindestens 20, vorzugsweise 50 grd/Minute in einer feuchtigkeitshaltigen Atmosphäre mit einem Taupunktsbereich von -51,1 bis -28,9° C erhitzt.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf Pulvermischungen mit Aluminium als Basismetall.