DE19950595C1

DE19950595C1 - Verfahren zur Herstellung von Sinterteilen aus einer Aluminiumsintermischung

Info

Publication number: DE19950595C1
Application number: DE19950595A
Authority: DE
Inventors: Hans-Claus Neubing; Johann Gradl; Armin Mueller
Original assignee: Dorn C GmbH
Current assignee: ECKA GRANULES GERMANY GMBH, DE
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2019-10-22
Also published as: US6468468B1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Sinterteilen aus einer Al-Sintermischung beschrieben, wobei 10 bis 70 Gew.-% Rein-Al-Pulver und 30 bis 90 Gew.-% eines Al-Legierungspulvers zu einer Al-Sintermischung gemischt werden. Das Al-Legierungspulver weist die folgende Zusammensetzung auf: DOLLAR A 14 bis 36 Gew.-% Si DOLLAR A 1 bis 7 Gew.-% Cu DOLLAR A 0,3 bis 2,5 Gew.-% Mg DOLLAR A 0,03 bis 6 Gew.-% eines Übergangsmetalles, DOLLAR A Rest Aluminium. DOLLAR A Das Rein-Al-Pulver und das Al-Legierungspulver besitzen jeweils eine Korngröße von maximal 315 _m. Die Al-Sintermischung wird mit 0,5 bis 2 Gew.-% Preßhilfsmittel gemischt. Das Gemisch aus Al-Sintermischung und Preßhilfsmittel wird zu einem Sinterteil-Grünling verpreßt. Der Sinterteil-Grünling wird dann gesintert. Da erfindungsgemäß keine niedrigschmelzenden Phasen auftreten, werden bei der Sinterung reproduzierbar formstabile Sinterkörper reproduzierbar erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sinterteilen aus einer Aluminiumsintermischung.

Aus der EP 0 669 404 B1 ist eine verschleißfeste gesinterte Aluminiumlegierung bekannt, die in Gewichtsanteilen aus 2,4 bis 23,5% Si, 2 bis 5% Cu, 0,2 bis 1,5% Mg, 0,01 bis 1% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe der Übergangsmetalle Ti, V, Zr, Mn, Fe, Co, Ni und Nb, und einem Aluminiumausgleich und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht, die eine fleckenartige Kornstruktur aus einer Al-Mischkristallphase und einer Al-Si-Legierungsphase besitzt, wobei letztere dispergierte übereutektische Si-Kristallite mit einem maximalen Durchmesser von 5 bis 60 µm aufweist und der Bereich der Al- Mischkristallphase 20 bis 80% des Querschnittes der fleckigen Kornstruktur beträgt. Aus dieser Druckschrift ist außerdem ein Verfahren zum Erzeugen einer verschleißfesten gesinterten Aluminiumlegierung mit den Verfahrensschritten bekannt:

Herstellen einer Mischung aus 20 bis 80 Gew-% Al-Si- Legierungspulver mit 13 bis 30 Gew-% Si und 80 bis 20 Gew-% Al- Pulver,
Hinzufügen eines Cu-Übergangsmetall-Legierungspulvers mit 0,2 bis 30 Gew-% eines oder mehrerer der Übergangsmetalle Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr und Nb, und eines Mg-Pulvers oder eines Al-Mg-Legierungspulvers mit 35 Gew-% oder mehr Mg zu dem Gemisch aus Al-Pulver und Al-Si-Legierungspulver, wodurch ein Pulvergemisch mit einer Zusammensetzung, bestehend aus 2,4 bis 23,5 Gew-% Si, 2 bis 5 Gew-% Cu, 0,2 bis 1,5 Gew-% Mg und 0,01 bis 1 Gew-% des Übergangsmetalles, und einem Aluminiumausgleich und unvermeidbaren Verunreinigungen, erhalten wird,
Verdichten des so erhaltenen Pulvergemisches zu einem Sinterteil-Grünling, und
Sintern des Grünlings zum Sinterteil.

Dort wachsen die übereutektischen Si-Kristallite, die in der Al-Si-Legierungsphase in der gesinterten Aluminiumlegierung enthalten sind, zu einer Größe von 5 bis 60 µm an. Dabei erfolgt eine Aufheizung des gesamten Körpers oder nur der Außenoberfläche der gesinterten Aluminiumlegierung. Auf das Aufheizen folgt eine Abkühlung. Diesem bekannten Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten gesinterten Aluminiumlegierung liegt zugrunde, daß von einem binären Al-Si- Legierungspulver ausgegangen wird, dem Al-Pulver und die Zulegierungspulver in Form von Mg-Pulver oder Al-Mg-Pulver und Cu-Pulver bzw. Cu-Legierungspulver zugemischt werden. Durch diese zugemischten Legierungspulver bilden sich niedrigschmelzende Phasen, durch die ein Flüssigphasensintern möglich ist.

Die EP 0 436 952 B1 offenbart ein gemischtes Aluminiumlegierungspulver zur Herstellung einer kompaktierten und gesinterten Aluminiumlegierung, das eine Mischung aus folgenden Komponenten aufweist:

Ein Aluminiumlegierungs-Hauptausgangspulver (A), das (gewichtsmäßig) aus folgenden Bestandteilen besteht:
0,1 bis 3,0% Cu und
fakultativ 0,1 bis 2,0% von mindestens einem Element, das ausgewählt ist aus Mn, Ni, Fe, Cr, Zr, Ti, V, Pb, Bi, Sn, wobei der Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen sind, und ein Masterlegierungs-Ausgangspulver (B), das aus folgenden Bestandteilen (in Gew-%) besteht:
4 bis 20% Mg
12 bis 30% Si und
fakultativ 0,1 bis 8% von mindestens einem der Elemente Mn, Ni, Fe, Cr, Zr, Ti, V, Pb, Bi und Sn, wobei der Rest Al und zufällige Verunreinigungen sind. Das Masterlegierungs- Ausgangspulver (B) kann auch aus folgenden Bestandteilen (in Gew-%) bestehen:
4 bis 20% Mg
12 bis 30% Si
1 bis 30% Cu und
fakultativ 0,1 bis 8% von mindestens einem der Elemente Mn, Ni, Fe, Cr, Zr, Ti, V, Pb, Bi und Sn,
wobei der Rest Al und zufällige Verunreinigungen sind,
wobei die Masterlegierung (B) in einem Bereich von 2 bis 15% vorhanden ist, um folgende Zusammensetzung des gemischten Pulvers (in Gew-%) zu erhalten:
0,1 bis 2,0% Mg
0,1 bis 2,0% Si
0,2 bis 6% Cu und
fakultativ 4,0% oder weniger insgesamt von Mn, Ni, Fe, Cr, Zr, Ti, V, Pb, Bi und/oder Sn.

Hier wird ein Aluminiumlegierungspulver zur Herstellung von Aluminiumsinterteilen beschrieben, wobei zwei Aluminiumlegierungspulver miteinander vermischt werden. Nach diesem Vermischen ergibt sich die folgende Zusammensetzung:
0,1 bis 2 Gew-% Si
0,2 bis 6,0 Gew-% Cu
0,1 bis 2 Gew-% Mg
fakultativ 4 Gew-% oder weniger von Mn und/oder Ni und/oder Fe und/oder Cr und/oder Zr und/oder Ti und/oder V und/oder Pb und/oder Zr und/oder Sn.

Die Zusammensetzung der verwendeten Legierungspulver erlaubt auch hier die Bildung von niedrigschmelzenden Phasen und somit eine Flüssigphasensinterung.

Die bei der Flüssigphasensinterung auftretenden niedrigschmelzenden Phasen bedingen, daß während des Aufheizens es zu Wachstum und/oder Schwundvorgängen kommt und deshalb der Sinterprozeß nur schwierig zu kontrollieren ist. Durch den Flüssigphasenanteil während der Sinterung ist oftmals ein Verziehen der hergestellten Sinterteile nicht zu verhindern, woraus unerwünschte Maßänderungen resultieren. Die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Sinterteile können in einem relativ weiten Wertebereich schwanken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem es möglich ist, Sinterteile mit einer ausgezeichneten Verschleißbeständigkeit und mit einer hohen mechanischen Festigkeit zu realisieren, wobei der Sinterprozeß relativ einfach kontrolliert durchführbar ist und ein Verzug der Sinterteile vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1, d. h. dadurch gelöst, daß 10 bis 70 Gew-% Rein-Al- Pulver und 30 bis 90 Gew-% eines Al-Legierungspulvers zu einer Al-Sintermischung gemischt werden, wobei das Al- Legierungspulver die folgende Zusammensetzung aufweist:
14 bis 35 Gew-% Si
1,0 bis 7,0 Gew-% Cu
0,3 bis 2,5 Gew-% Mg
0,03 bis 6,0 Gew-% Ti und/oder Fe und/oder V und/oder Zr und/oder Ni und/oder Cr
Rest Al
und wobei das Rein-Al-Pulver und das Al-Legierungspulver jeweils eine maximale Korngröße von 315 µm, vorzugsweise maximal 200 µm, besitzen,
daß die Al-Sintermischung mit 0,5 bis 2 Gew-% Preßhilfsmittel gemischt wird, und
daß das Gemisch aus Al-Sintermischung und Preßhilfsmittel zu einem Sinterteil-Grünling verpreßt und der Sinterteil-Grünling dann gesintert wird.

Die nominelle Zusammensetzung der Aluminiumsinterteile lautet:
Si 4,5-31,0%
Cu 0,3-6,0%
Mg 0,1-1,2%

Ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Ti, Fe, V, Zr, Ni, Cr in Summe 0,01-5,0%.

Das Al-Legierungspulver und das Rein-Al-Pulver werden vorzugsweise in der gleichen Körnung eingesetzt. Bei dem Preßhilfsmittel kann es sich um ein feinpulveriges Wachs, vorzugsweise ein Amidwachs, handeln, wie es in der Pulvermetallogie üblicherweise eingesetzt wird.

Das Al-Legierungspulver und das Rein-Al-Pulver können jeweils durch Verdüsen der entsprechenden Schmelze in einer Schutzgasatmosphäre oder in Luft hergestellt werden. Dabei wird das Al-Legierungspulver zweckmäßigerweise durch Verdüsen der entsprechenden Schmelze hergestellt, wobei als Verdüsungsmedium zum Zerstäuben der Schmelze vorzugsweise Schutzgas wie beispielsweise Stickstoff oder Argon ist. Die Zerstäubung kann in bekannten Anlagen erfolgen. Das Rein-Al-Pulver wird ebenfalls durch Zerstäuben der Schmelze hergestellt. Auch das kann in bekannter Weise in einer Schutzgas- oder Luftatmosphäre geschehen. Vorzugsweise wird das Rein-Al-Pulver in Luft verdüst, weil hierdurch eine unregelmäßige Kornform erhalten wird. Durch diese unregelmäßige Kornform wird der Vorteil erreicht, daß beim Verpressen der Al-Sintermischung eine vergleichsweise hohe Grünfestigkeit der Sinterteil-Grünlinge erreicht wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Schmelze aus dem Al-Legierungspulver derartig rasch abgeschreckt wird und die eutektische Erstarrung weitgehend unterdrückt wird und daß der übereutektische Si- Gehalt sich als Si-Primärkristallite ausscheidet in homogener Verteilung und Kristallite-Größe von maximal 25 µm vorliegen, wobei der Gesamt-Si-Gehalt über der eutektischen Zusammensetzung liegt.

Das Gemisch aus Al-Sintermischung und Preßhilfsmittel kann auf größenordnungsmäßig 95% der theoretischen Dichte verpreßt werden. Da erfindungsgemäß bis zur Sintertemperatur von 530 bis 565°C, vorzugsweise 540 bis 560°C, keine intermediär niedrigschmelzenden Phasen auftreten, liegt keine Flüssigphasensinterung vor. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, bei welchen intermediär niedrigschmelzende Phasen (-Flüssigphasensinterung) auftreten, wird bei der erfindungsgemäßen Festphasensinterung aufgrund der erfindungsgemäßen Zusammensetzung der Sintermischung ohne intermediär flüssige Phase ein formstabiler Sinterkörper erhalten. Während des Aufheizvorganges bis zur Festphasen- Sintertemperatur treten keine unkontrollierten Wachstums/Schwindungsvorgänge auf, wie sie oben in Verbindung mit der Flüssigphasensinterung erwähnt worden sind und es kommt erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise zu keinem Verzug der Sinterteile.

Während des Sintervorgangs diffundieren die Legierungselemente aus dem Al-Legierungspulver partiell in das Reinaluminium. Es kommt durch Diffusionsvorgänge zu einem Konzentrationsausgleich der Legierungselemente, wobei auch eine teilweise Umverteilung der Si-Primärkristalle vom Al-Legierungspulver in das Rein-Al- Pulver stattfindet. Während des Sinterns erfolgt ein Abrunden der Poren, woraus eine Reduktion des Porenvolumens resultiert. Diese Verringerung des Porenvolumens ergibt eine Schwindung der Grünlinge der Sinterteile. Das Schwundmaß ist bei Einhaltung der Sinterbedingungen in vorteilhafter Weise kontrolliert reproduzierbar.

Die Sinterung des Sinterteil-Grünlings erfolgt vorzugsweise in einer Schutzgasatmosphäre. Hierbei kann es sich um eine reine Stickstoffatmosphäre mit niedrigem Taupunkt handeln.

Vor der Sinterung kann ein Entwachsen des Sinterteil-Grünlings erfolgen. Dieses Entwachsen kann beispielsweise bei einer Temperatur von größenordnungsmäßig 400°C erfolgen. Eine genaue Temperaturkontrolle beim Entwachsen, wie es beim herkömmlichen Flüssigphasensintern unumgänglich erforderlich ist, ist nicht notwendig.

Falls es erforderlich ist, kann nach dem Sintern zur Festigkeitssteigerung eine Wärmebehandlung und/oder eine Kalibrierung durchgeführt werden. Diese Festigkeitssteigerung der Sinterteile kann insbesondere durch folgende bekannte Prozesse erzielt werden:

a) cold forming
b) Wärmebehandlung entsprechend T₄- und T₆-Zustand
c) Sinterschmieden.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispieles weiter verdeutlicht:
50 Gew-% Al-Legierungspulver schutzgasverdüst, 50 Gew-% Rein- Al-Pulver und zusätzlich 1 Gew-% Amidwachs werden bei einem Preßdruck von 62 kN/c² verpreßt. Die Preßdichte beträgt 2,5 g/cm³. Die Grünfestigkeit des Sinterteil-Grünlings beträgt 13,5 MPa. Vor Erreichen der Sintertemperatur wird der Preßling bei 400°C entwachst. Die Sinterung des Sinterteil-Grünlings erfolgt in einer trockenen Stickstoffatmosphäre. Die Sintertemperatur beträgt 550°C und die Sinterzeit 60 Minuten. Bei einem länglichen Sinterteil mit 90 mm Länge beträgt der lineare Sinterschwund 3% rel. Die Zugfestigkeit der Sinterteile beträgt direkt nach dem Sintern (T₁-Zustand) 230 MPa. Wird anschließend eine Ausscheidungshärtung, d. h. ein Lösungsglühen bei 510°C, ein rasches Abschrecken und ein Warmauslagern bei 170°C durchgeführt (T₆-Zustand), so resultiert daraus eine Zugfestigkeit von 300 MPa. Eine hohe Verschleißfestigkeit der solchermaßen hergestellten Sinterteile wird durch die einen hohen Anteil an harten und fein verteilten Si-Kristalliten gewährleistet.

Wird im Vergleich hierzu nur eine bekannte binäre Al-Si- Vorlegierung, z. B. ein AlSi-22-Legierungspulver, und ein Rein- Al-Pulver sowie Preßhilfsmittel verwendet, so sind hieraus nur Sinterteile mit geringen bzw. ungenügenden Festigkeitseigenschaften herstellbar. So beträgt die Zugfestigkeit eines Sinterteiles der zuletzt genannten Zusammensetzung mit einer Preßdichte von 2,5 g/cm³ bei 560°C Sintertemperatur und einer Sinterzeit von 60 Minuten nur 90 MPa, was bedeutet, daß das entsprechende, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Sinterteil eine mehrfach größere Zugfestigkeit besitzt.

Bei einer Mischung bestehend aus 75% AlSi22 Legierungspulver 20% Reinaluminiumpulver sowie 2% Aluminium- Magnesiumlegierungspulver mit einer Zusammensetzung von 50% Mg und 50% Al, 3% Kupferpulver und Preßhilfsmittel erhält man beim Sintern niedrigschmelzende Phasen. Beim Sintern dieser Mischung bei 550°C und 60 min. Sinterzeit erhält man Sinterfestigkeiten im T₁-Zustand von nur 110 MPa. Aufgrund der niedrigschmelzenden Phasen ist die Maßhaltigkeit der hierbei hergestellten Sinterteile ungünstiger als bei Sinterteilen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Sinterteilen aus einer Al- Sintermischung,
dadurch gekennzeichnet,
daß 10 bis 70 Gew-% Rein-Al-Pulver und 30 bis 90 Gew-% eines Al-Legierungspulvers zu einer Al-Sintermischung gemischt werden, wobei das Al-Legierungspulver die folgende Zusammensetzung aufweist:
14-35 Gew-% Si
1,0 bis 7 Gew-% Cu
0,3 bis 2,5 Gew-% Mg
0,03 bis 6 Gew-% Ti und/oder Fe und/oder V und/oder Zr, und/oder Ni und/oder Cr Rest Aluminium,
und wobei das Rein-Al-Pulver und das Al-Legierungspulver jeweils eine maximale Korngröße von 350 µm, vorzugsweise von 200 µm, besitzen,
daß die Al-Sintermischung mit 0,5 bis 2 Gew-% Preßhilfsmittel gemischt wird, und
daß das Gemisch aus Al-Sintermischung und Preßhilfsmittel zu einem Sinterteil-Grünling verpreßt und der Sinterteil- Grünling dann gesintert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Al-Legierungspulver und das Rein-Al-Pulver jeweils durch Verdüsen der entsprechenden Schmelze in einer Schutzgasatmosphäre oder in Luft hergestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze für das Rein-Al-Pulver in Luft verdüst wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze aus dem Al-Legierungspulver derartig rasch abgeschreckt wird, daß die Si-Primärkristallite in feiner Verteilung von maximal 25 µm vorliegen, wobei der Si-Gehalt über der eutektischen Zusammensetzung liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Al-Sintermischung und Preßhilfsmittel auf größenordnungsmäßig 95% der theoretischen Dichte verpreßt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterung des Sinterteil-Grünlings in einer Schutzgasatmosphäre erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterung in einer reinen Stickstoffatmosphäre mit niedrigem Taupunkt erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Sinterung ein Entwachsen des Sinterteil- Grünlings erfolgt.