Die Erfindung betrifft eine Sinteraluminium-Legierung aus einer
Mischung aus Aluminiumpulver, Zinkpulver, Magnesiumpulver,
Kupferpulver oder Siliziumpulver und einem Sinterhilfe-
Zusatzpulver, sowie Verfahren zur Herstellung eines
Sinterkörpers aus einer solchen Sinteraluminium-Legierung.
Aus der WO 96/34991 ist eine Sinteraluminium-Legierung der
eingangs genannten Art aus einer Mischung aus Aluminiumpulver,
Zinkpulver, Magnesiumpulver, Kupferpulver und einem
Sinterhilfe-Zusatzpulver bekannt, wobei das Sinterhilfe-
Zusatzpulver aus elementarem Blei oder Zinn besteht.
Aus dem JP-Abstract 63-282229 A ist eine Aluminiumlegierung
bekannt, die eine feine und gleichmäßige Struktur frei von
Poren aufweisen soll. Eine solchen porenfreie
Aluminiumlegierung hat mit einer Sinteraluminium-Legierung
keine Gemeinsamkeiten. Bei einer Sinteraluminium-Legierung wird
per Definition durch ein Sinterverfahren eine Verdichtung eines
lose gebundenen Pulver-Haufwerkes erzielt. Fertige Teile aus
einer Sinteraluminium-Legierung bzw. aus einem Sinteraluminium-
Legierungspulver besitzen selbst nach einer weiteren
Verdichtung durch Kalibrieren stets noch eine bestimmte
Porosität. Das genannte JP-Abstract beschreibt im Unterschied
hierzu eine Aluminiumlegierung bzw. einen Barren (billet), der
nicht durch Sintern sondern durch Pressen einer bestimmten
Pulvermischung porenfrei sein soll. Der Barren aus der
Pulvermischung wird dann durch Extrusion weiterverarbeitet. Die
Extrusion erfolgt dort bei 350 bis 400°C.
Aus der EP 0 466 120 B1 ist eine Sinteraluminium-Legierung aus
einem Aluminiumlegierungs-Hauptpulver und wenigstens einem
Metall- oder Metallegierungspulver bekannt, wobei das
Aluminiumlegierungs-Hauptpulver aus 10-35 Gew.-% Silizium,
0,2 bis 2,0 Gew.-% Kupfer, Rest Aluminium, besteht. Bei dem
Metall- oder Metallegierungspulver handelt es sich um Mg-
Pulver, um Al-Mg-Pulver, Al-Cu-Pulver, Al-Mg-Si-Pulver, Al-Cu-
Si-Pulver, Al-Mg-Cu-Pulver, Al-Mg-Cu-Si-Pulver, Mg-Cu-Pulver,
Mg-Cu-Si-Pulver.
Die DE 40 34 637 C2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung
eines porösen Sinterkörpers aus Aluminium- bzw. Aluminium-
Legierungspulver und einem Pulver, das mit dem Aluminium bzw.
der Aluminium-Legierung ein Eutektikum bildet, wobei das
Pulvergemisch in einer Vibrationskugelmühle oder in einer
Fallkugelmühle gemahlen und die gemahlene Pulvermischung in
loser Schüttung in Formen oder mit sehr geringem Preßdruck zu
hochporösen Formkörpern gepreßt und in an sich bekannter Weise
gesintert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sinteraluminium-
Legierung der eingangs genannten Art sowie Verfahren zur
Herstellung von Sinterkörpern aus einer solchen
Sinteraluminium-Legierung zu schaffen, wobei ein hochfestes
Sinteraluminium, ein verschleißbeständiger Aluminium-Matrix-
Verbundwerkstoff oder ein schüttgesinterter Aluminiumkörper
realisierbar sind.
Diese Aufgabe wird bezüglich der Sinteraluminium-Legierung
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Sinterhilfe-
Zusatzpulver ein Legierungs-Pulver auf Pb-Basis ist, wobei der
Pb-Anteil zwischen 0,03 und 0,5 Gew.-% der Sinteraluminium-
Legierung beträgt.
Der erfindungsgemäße Sinterhilfe-Zusatz weist gegenüber einem
Zusatz elementaren Blei's den Vorteil auf, daß das
erfindungsgemäße Legierungs-Pulver auf Pb-Basis bei einer
niedrigeren Temperatur schmilzt als elementares Pb, wie es aus
der eingangs erwähnten WO 96/34991 bekannt ist. So weist z. B.
PbSn einen Schmelzpunkt von 183°C, PbSb einen Schmelzpunkt von
252°C, PbBi einen Schmelzpunkt von 124°C und PbMg einen
Schmelzpunkt von 250°C auf. R-Pb weist einen Schmelzpunkt von
327°C auf.
Bei der erfindungsgemäßen Sinteraluminium-Legierung
wechselwirkt das Pb aus dem Legierungs-Pulver auf Pb-Basis bei
Durchführung eines Sinterprozesses in vorteilhafter Weise
infolge seines erniedrigten Schmelzpunktes zu einem früheren
Zeitpunkt mit der erfindungsgemäßen Sinteraluminium-Legierung
als das bekanntermaßen zur Anwendung gelangende elementare Pb-
Pulver.
Bei dem erfindungsgemäß angewandten Sinterhilfe-Zusatzpulver
kann es sich um ein PbSn-Pulver mit 10 bis 40% Sn handeln.
Kommt ein solches PbSn-Pulver zur Anwendung, dann liegt die
Untergrenze des Pb-Zusatzes bei Zusatz von 0,05% PbSn 40 bei
0,03% Pb. Bei einem Zusatz von 0,58% PbSn 10 liegt die
Obergrenze des Pb-Zusatzes bei 0,5%.
Erfindungsgemäß kann das Sinterhilfe-Zusatzpulver auch ein
PbSb-Pulver mit ≦ 20% Sb, ein PbBi-Pulver mit 40-60% Bi
bzw. ein PbMg-Pulver mit ≦ 20% Mg sein. Desgleichen ist es
möglich, daß das Sinterhilfe-Zusatzpulver ein PbZn-Pulver ist.
Vorzugsweise wird das an sich bekannte Lotpulver PbSn mit 10
bis 40% Sn verwendet, wie bereits weiter oben erwähnt worden
ist.
Bei der erfindungsgemäßen Sinteraluminium-Legierung ist das
Aluminiumpulver vorzugsweise ein luftverdüstes Aluminumpulver,
das eine irreguläre spratzige Partikelform mit einer Feinheit
von ≦ 1000 µm aufweist und dessen Basisreinheit 99,7% und
dessen Sauerstoffgehalt 0,1-0,5% beträgt. Das bei der
erfindungsgemäßen Sinteraluminium-Legierung zur Anwendung
gelangende Zn-Pulver ist vorzugsweise ein luftverdüstes Zn-
Pulver, das eine irreguläre spratzige Partikelform mit einer
Feinheit von ≦ 63 µm aufweist und dessen Basisreinheit 99,995%
beträgt.
Das Magnesiumpulver der erfindungsgemäßen Sinteraluminium-
Legierung kann durch mechanisches Zerspanen hergestelltes
Pulver sein, das eine körnige Partikelform mit einer Feinheit
von ≦ 63 µm aufweist. Das Mg-Pulver kann jedoch auch ein AlMg-
Legierungspulver mit 40-60% Mg sein, das durch Verdüsung
oder vorzugsweise durch mechanische Zerkleinerung hergestellt
ist, dessen Partikelform körnig ist und dessen Feinheit ≦ 100
µm, vorzugsweise ≦ 63 µm, beträgt. Kommt ein solches AlMg-
Legierungspulver zur Anwendung, so beträgt sein Mg-Gehalt
vorzugsweise 50%.
Bei dem Cu-Pulver der erfindungsgemäßen Sinteraluminium-
Legierung handelt es sich vorzugsweise um ein elektrolytisch
hergestelltes Cu-Pulver, das eine dendritische Partikelform mit
einer Feinheit von 63 µm aufweist und dessen Schüttdichte
0,8-1,5 kg/dm3 beträgt. Das Cu-Pulver kann auch durch Verdüsung
hergestellt werden.
Die Mischung aus Al-Pulver, Zn-Pulver, Mg-Pulver, Cu- oder Si-
Pulver und dem Sinterhilfe-Zusatzpulver kann mit einem
Preßhilfsmittel gemischt sein, das von einem Wachs gebildet
ist, dessen Anteil 0,8-1,8%, vorzugsweise 1,0-1,3%
beträgt. Bei dem besagten Wachs handelt es sich z. B. um
Ceridust 3910, Ceridust 3620 bzw. Höchstwachs C.
Mit einer solchen Sinteraluminium-Legierung der oben
beschriebenen Zusammensetzung ist ein hochfestes
Sinteraluminium realisierbar. Zur Realisierung eines
verschleißbeständigen Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffes kommt
eine Sinteraluminium-Legierung der oben beschriebenen
Zusammensetzung zur Anwendung, die abweichend 1-30 Vol.-%
eines Hartstoff-Partikelzusatzes aufweist, der von Oxiden,
Carbiden und Silicaten gebildet ist. Vorzugsweise handelt es
sich hierbei um Quarzsand, Karborund und Zirkonsand. Ferner
eignen sich auch andere, nicht mineralische,
verschleißbeständige Zusätze wie z. B. Ni- und/oder Co-Basis-
Legierungspulver als Hartphasen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann verfahrensgemäß
gelöst werden durch die Verfahrensschritte:
- - Mischen der Pulver-Bestandteile während einer Zeitspanne
von ≦ 2 Std., vorzugsweise ca. 0,5 Std.,
- - Pressen der Pulver-Mischung bei einem Druck von 200-800
MPa, vorzugsweise 620 MPa,
- - Schockentwachsen des Preßlings unter Schutzgas durch
Einbringen des Preßlings in einen auf Sintertemperatur
vorgeheizten Ofen, wobei die dabei erzielte
Aufheizgeschwindigkeit von größenordnungsmäßig 40°C/min
sicherstellt, daß ein rasches Ausdampfen des
Preßhilfsmittels die Wirkungsweise des Sinterhilfsmittels
nicht beeinträchtigt, und
- - Sintern des Preßlings bei 580-640°C, vorzugsweise bei
größenordnungsmäßig 610°C, und einer Sinterzeit von 10-
240 Minuten, vorzugsweise 20-40 Minuten in einer
Schutzgasatmosphäre oder in Vakuum. Bevorzugt ist es
hierbei, den Sintervorgang einer Schutzgasatmosphäre
durchzuführen. Hierbei ist es möglich, hochfestes
Sinteraluminium, d. h. einen hochfesten Gegenstand aus
Sinteraluminium zu realisieren.
Zur Herstellung eines verschleißbeständigen Aluminium-Matrix-
Verbundwerkstoffes wird - wie bereits erwähnt worden ist - eine
Pulvermischung der oben genannten Zusammensetzung während einer
Zeitspanne von ≦ 2 Std., vorzugsweise 0,5 Std., gemischt, die
1-30 Vol.-% eines Hartstoff-Partikelzusatzes aufweist, der
von den erwähnten Oxiden, Carbiden und Silicaten oder Ni-
und/oder Co-Basis-Legierungspulver gebildet ist. Nach dem
besagten Mischen erfolgt, wie oben beschrieben, ein Pressen der
Pulver-Mischung bei einem Druck von 200-800 MPa, vorzugsweise
620 MPa, ein Schockentwachsen, wie oben erwähnt, und ein
Sintern des Preßlings, wie ebenfalls oben beschrieben worden
ist. Durch die hierbei erzielte hohe Festigkeit der gesinterten
Aluminium-Matrix ist es in vorteilhafter Weise möglich, hohe
Anteile an Hartstoff-Partikeln in die Aluminium-Matrix zu
integrieren, ohne daß der hierdurch bedingte Festigkeits-
Verlust die Einsatzmöglichkeiten des erfindunggemäßen
Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffes einschränkt.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich überraschend gut
auch zur Herstellung schüttgesinterter Aluminiumkörper. Im
übrigen entspricht die Sinteraluminium-Legierung der oben in
Verbindung mit hochfestem Sinteraluminium bzw. in Verbindung
mit verschleißbeständigen Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffen
beschriebenen Sinteraluminium-Legierung. Dabei erfolgt
verfahrensgemäß wieder ein Mischen der Pulver-Bestandteile
während einer Zeitspanne von ≦ 2 Std., vorzugsweise 0,5 Std. Es
erfolgt dann jedoch kein Pressen der Pulver-Mischung sondern
die Pulvermischung wird in einer Schüttung in einer abgedeckten
Form gesintert. Das Sintern der Schüttung erfolgt bei 610-
650°C, vorzugsweise bei 630°C, und einer Sinterzeit von 10-
120 Minuten, vorzugsweise 15 Minuten, in Vakuum oder
vorzugsweise in einer Schutzgasatmosphäre.
Während die erfindungsgemäße Sinteraluminium-Legierung eine
Dichte von z. B. 2,7 kg/dm3 aufweist, besitzt das hochfeste
Sinterprodukt aus der Sinteraluminium-Legierung eine Dichte von
bspw. 2,5 kg/dm3 bzw. eine Porosität von 7%. Die Dichte eines
entsprechenden schüttgesinterten Aluminiumkörpers, bei dem es
sich bspw. um einen Filterkörper handeln kann, liegt bei 1,5
kg/dm3, was einer Porosität von 45% entspricht.
Sinterkörper aus der erfindungsgemäßen Sinteraluminium-
Legierung finden bspw. im Automobilbereich und dort insbes. im
Motorenbau, bei den Antriebsrädern, sowie bei Filterelementen,
Bauelementen zum Schallschutz o. dgl. Anwendung.
Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele bzw.
Zusammensetzungen von Sinterkörpern aus der erfindungsgemäßen
Sinteraluminium-Legierung.
Beispiel 1:
Luftverdüstes Aluminiumpulver, 5, 6% luftverdüstes Zinkpulver,
2,5% mechanisch zerspantes Magnesiumpulver, 1,5%
elektrolytisches Kupferpulver und 0,15% Lotpulver PbSn 10
werden mit 1,0% Ceridust 3910 0,5 St. in einem
Doppelkonusmischer gemischt. Die Pulvermischung wird bei 620
MPa gepreßt und bei 610°C 35 Minuten unter Stickstoff mit einem
Taupunkt von -40°C gesintert. Die Zugfestigkeit beträgt im
Zustand T1 (ohne Wärmebehandlung, ohne Kaltauslagerung) 262 MPa
und im Zustand T6 (Lösungsglühen: 470°C, 1 Std.; Abschrecken in
H2O; Auslagern: 130°C, 24 Std) 413 MPa.
Beispiel 2:
Zusammensetzung, Pulverart und Verarbeitung entsprechen
derjenigen aus Beispiel 1. Lediglich der Zusatz von 0,19% des
Lotpulvers PBSn 25 unterscheidet sich von Beispiel 1. Die
Zugfestigkeit beträgt im Zustand T1 255 MPa und im Zustand T6
419 MPa.
Beispiel 3:
Zusammensetzung, Pulverart und Verarbeitung entsprechen der aus
Beispiel 1. Zusätzlich werden 10 Vol.-% Karborundum der
Mischung zugesetzt. Die Zugfestigkeit beträgt im Zustand T6 210
MPa.
Beispiel 4:
Luftverdüstes Aluminiumpulver, 4, 4% elektrolytisches
Kupferpulver, 0,5% zerspantes Magnesiumpulver, 5,8% AlSi 12
und 0,1% Lotpulver PbSn 10 werden wie in Beispiel 1 gemischt,
gepreßt und gesintert. Die Zugfestigkeit beträgt im Zustand T1
187 MPa.
Beispiel 5:
Zusammensetzung und Pulverart entsprechen der aus Beispiel 1
und werden als Schüttung zu Platten mit 4 mm Dicke gesintert.
Dabei werden die Pulver 0,5 Std. in einem Doppelkonusmischer
gemischt und als Schüttung gesintert. Die Dichte beträgt 1,58
kg/dm3, die Biegefestigkeit 56 MPa.