DE19802501C2 - Pulvermischung für eine Sinteraluminium-Legierung und Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers aus einer solchen Pulvermischung - Google Patents

Pulvermischung für eine Sinteraluminium-Legierung und Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers aus einer solchen Pulvermischung

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Description

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.

Claims (19)

1. Pulvermischung für eine Sinteraluminium-Legierung aus Al- Pulver, Zn-Pulver, Mg-Pulver, Cu-Pulver oder Si-Pulver und einem Sinterhilfe-Zusatzpulver, dadurch gekennzeichnet, 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.
2. Pulvermischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinterhilfe-Zusatzpulver ein PbSn-Pulver mit 10- 40% Sn ist.
3. Pulvermischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinterhilfe-Zusatzpulver ein PbSb-Pulver mit ≦ 20% Sb ist.
4. Pulvermischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinterhilfe-Zusatzpulver ein PbBi-Pulver mit 40-60% Bi ist.
5. Pulvermischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinterhilfe-Zusatzpulver ein PbMg-Pulver mit ≦ 20% Mg ist.
6. Pulvermischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Al-Pulver ein luftverdüstes Al-Pulver ist, 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.
7. Pulvermischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zn-Pulver ein luftverdüstes Zn-Pulver ist, das eine irreguläre spratzige Partikelform mit einer Feinheit von ≦ 63 µm aufweist und dessen Basisreinheit 99,995% beträgt.
8. Pulvermischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mg-Pulver durch mechanisches Zerspanen hergestelltes Pulver ist, das eine körnige Partikelform mit einer Feinheit von 63 µm aufweist.
9. Pulvermischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mg-Pulver ein AlMg-Legierungspulver mit 40-60% Mg ist, das durch Verdüsung oder durch mechanische Zerkleinerung hergestellt ist, dessen Partikelform körnig ist und dessen Feinheit ≦ 100 µm beträgt.
10. Pulvermischung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinheit der Partikel ≦ 63 µm beträgt.
11. Pulvermischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Cu-Pulver ein elektrolytisch hergestelltes oder verdüstes Cu-Pulver ist, das eine dendritische oder irreguläre Partikelform mit einer Feinheit von ≦ 63 µm aufweist, und dessen Schüttdichte 0,8-2,5 kg/dm3 beträgt.
12. Pulvermischung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung mit einem Preßhilfsmittel gemischt ist, das von einem Wachs gebildet ist und dessen Anteil 0,8-1,8% beträgt.
13. Pulvermischung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wachs-Anteil 1,0 bis 1,4% beträgt.
14. Pulvermischung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung 1-30 Vol.-% eines Hartstoff- Partikelzusatzes aufweist, der von Oxiden, Carbiden und Silicaten oder von Nickel- und/oder Kobalt-Basispulver gebildet ist.
15. Pulvermischung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Silikate Quarzsand, oder Zirkonsand verwendet werden.
16. Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers aus einer Pulvermischung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte
  • 1. Mischen der Pulver-Bestandteile während einer Zeitspanne von ≦ 2 Std.
  • 2. Pressen der Pulvermischung bei einem Druck von 200-800 MPa,
  • 3. Schockentwachsen des Preßlings 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
  • 4. Sintern des Preßlings bei 580-640°C und einer Sinterzeit von 10-240 Minuten, in Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischen der Pulver-Bestandteile während einer Zeitspanne von 0,5 Stunden und das Pressen bei 620 MPa erfolgt und daß die Sinterzeit ca. 35 Minuten beträgt.
18. Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers aus einer Pulvermischung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte
  • 1. Mischen der Pulver-Bestandteile während einer Zeitspanne von 2 Std.,
  • 2. Sintern der eine Schüttung bildenden Pulvermischung bei 610-650°C und einer Sinterzeit von 10-120 Minuten in Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischen der Pulver-Bestandteile während einer Zeitspanne von 0,5 Stunden erfolgt und daß die Sinterzeit ca. 15 Minuten beträgt.
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