DE2132665A1

DE2132665A1 - Verfahren zum Herstellen von Verbundteilen

Info

Publication number: DE2132665A1
Application number: DE19712132665
Authority: DE
Inventors: Badia Frank Arthur; Macdonald Francis; Ansuini Frank Joseph
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1970-07-06
Filing date: 1971-07-01
Publication date: 1972-02-17
Also published as: JPS5429442B1; FR2100260A5; NL7109305A; ES392902A1; GB1305846A; AT311069B; BE769565A; AU3079171A; ZA714048B; US3753694A; CA934167A; CH537768A

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dr.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen

Patentanwälte · 4ooo Düsseldorf · Cecilianallee vb · O^^f^Tc"¹

Unsere Akte: 26 743 30. Juni 1971

International Nickel Limited, Thames House, Millbank, London, S.W. 1 _t Großbritannien

"Verfahren zum Herstellen von Verbundteilen"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Verbundteilen aus einem Metallgefüge mit in diesem feindispers verteilten, in dem betreffenden Bettungsmetall normalerweise unlöslichen Teilchen.

Die Erfindung besteht bei dem vorerwähnten Verfahren darin, die unlöslichen Teilchen mit einem Überzug zu versehen, um sie in bezug auf das schmelzflüssige Bettungsmetall benetzbar zu machen, die überzogenen Teilchen in der Metallschmelze zu verwirbeln und anschließend das Metall erstarren zu lassen.

Auf die Teilchengröße und -form kommt es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht wesentlich an; so können der Metallschmelze ein Pulver, Pellets, Fasern oder auch andere Teilchen zugesetzt werden, je nachdem, welche technologischen Eigenschaften dem Gefüge verliehen oder welchem Verwendungszweck das Metall dienen soll. Pulverteilchen lassen sich beispielsweise verwenden, wenn dem Metall bessere Reibungs-, Abrieb- oder Verschleißeigenschaften verliehen werden sollen, während Faserzusätze eher geeignet sind, wenn die Festigkeit erhöht werden soll. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch mit submikroskopischen

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Teilchen durchgeführt werden, wenngleich sich Teilchen mit einer Korngröße von 5 "bis 10 Mikron oder mehr leichter handhaben lassen»

Der Überzug wird unter dem Gesichtspunkt einer guten Benetzbarkeit durch das schmelzflüssige Metall ausgewählt. Unter diesem Gesichtspunkt besteht der Überzug vorzugsweise aus einem Metall, beispielsweise aus Nickel, Kupfer, Kobalt, Eisen, Aluminium, Zink oder einer Legierung dieser Metalle. Geeignet als Überzüge sind aber auch andere Metalle und Metalloide wie beispielsweise Silizium, Zinn, Molybdän, Chrom, Antimon und Wolfram. Bei der Auswahl sollte allerdings darauf geachtet werden, daß der Überzug nach Art und Menge nicht die technologischen Eigenschaften des Endprodukts beeinträchtigt» So sollte ein Überzugsmetall vorzugsweise keine feste Lösung mit dem Bettungsmetall bilden, da sonst die Benetzbarkeit zu schnell verloren gehen könnte und sich ein größerer Teilchenverlust sowie eine weniger gute Verteilung der Teilchen ergibt als beispielsweise im Falle eines Überzugs, der mit dem Bettungsmetall eine intermetallische Verbindung bildet„ So eignet sich beispielsweise ein Nickelüberzug mehr für Teilchen, die in Aluminium dispergiert werden sollen als für in Kupfer zu dispergierende Teilchen, mit dem Nickel eine feste Lösung bildete

Der Überzug sollte die Teilchenoberfläche weitestgehend bedecken, da der Anteil der Teilchen, die beim Erstarren im Gefüge feindispers verteilt bleiben, umso geringer ist, je unvollständiger der Überzug ist₀

Eine Überzugsdicke von 25 oder 50 Mikron ist normalerweise ausreichend» Der Überzug kann in üblicher Weise, beispielsweise im Falle eines Metalls galvanisch oder durch Zersetzen eines Kartoonyls, beispielsweise von Nickelkarbonyl auf-

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gebracht werden,

Das Verwirbeln in dem schmelzflüssigen Metall kann mechanisch, beispielsweise mittels eines Impellers, oder auf andere Weise, beispielsweise elektromagnetisch erfolgen.

Der Verteilungsgrad der Teilchen hängt von der Wirbelgeschwindigkeit ab, die vorzugsweise ausreichen sollte, die ■Oberflächenspannung des Badspiegels zu überwinden und eine Wirbelbildung sichtbar zu machen. Übermäßige Wirbelgeschwindigkeiten bis zur Turbulenz sind jedoch nicht erforderlich und bringen nur die Gefahr eines ÜberfHeßens, unnötiger Oxydation des Bades und einer unerwünschten Schlakkenaufnahme mit sich«, Selbstverständlich hängt die Wirbelgeschwindigkeit im Einzelfall von den Einsatzstoffen ab«, So lassen sich beispielsweise in Aluminiumschmelzen leichter Wirbel erzeugen als in Schwermetallschmelzen. Beim Wirbeln wirkt sich selbstverständlich auch der Durchmesser eines Impellers aus.

Sobald die Teilchen in der Schmelze dispergiert sind, kann die Dispersion bzw. Schmelze vergossen werden. Wird eine Serie von Teilen, beispielsweise Aluminiumform- und Kokillenguß abgegossen, so wird die Wirbelgeschwindigkeit vorzugsweise verringert, die Wirbelung jedoch während des Gusses aufrechterhalten, um die Teilchen in Suspension zu halten. Versuche haben in diesem Zusammenhang erwiesen, daß ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin liegt, daß die Teilchen auf diese Weise ziemlich lange in Suspension gehalten werden können.

Die Benetzbarkeit der metallisierten Teilchen kann durch die Bildung von Oberflächenoxyden beeinträchtigt werden. Um dies zu vermeiden, können die metallisierten Teilchen unter Schutzgas, beispielsweise Stickstoff oder Argon, in

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die Schmelze eingeführt werden. Dem kommt besondere Bedeutung zu, wenn das Bettungsmetall die Oberflächenoxyde nicht reduziert, so daß für den Überzug ein Metall vorzuziehen ist, dessen Oxyde in der Schmelze reduziert werden,, Das Verwirbeln führt dazu, daß die Teilchen eine für eine Reduktion der Oberflächenoxyde und die Wiederherstellung der Benetzbarkeit ausreichende Zeit in Suspension gehalten werden können. Aus diesem Grunde sind in aller Regel keine besonderen Maßnahmen zum Vermeiden einer Oberflächenoxydation erforderlich und braucht nach dem Zugeben der überzogenen Teilchen das Verwirbeln nicht unmittelbar erfolgen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.

Beispiel 1

Eine 22,5 kg-Schmelze aus einer Aluminiumlegierung mit 9% Silizium, 3% Kupfer und 1% Magnesium, Rest im wesentlichen Aluminium, wurde in einem in einen Induktionsofen eingesetzten Tontiegel hergestellt. Die Schmelze wurde auf eine Temperatur von 73O°C gebracht und während eines lOminütigen Spülens mit Stickstoff auf dieser Temperatur gehalten, um die tatsächlichen Verhältnisse beim Herstellen von Aluminiumguß und Aluminiumlegierungen zu simulieren.

Auf die Badoberfläche wurden alsdann 2,27 kg vernickelter Grafitteilchen mit einer Korngröße von 44 bis 149 Mikron gegeben, die aus 50% Nickel und 5096 Grafit bestanden. Nach dem Eintauchen eines mit vier Schaufeln versehenen Impellers bis in Bodennähe wurde die Schmelze bei einer Wellenneigung des Impellers von 20° gegen die Vertikale und 520 Upm verwirbelt.

Die überzogenen Teilchen wurden beim Verwirbeln innerhalb

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einer Minute vollständig in das Bad eingesogen,, Danach wurde der Impeller auf 70 Upm gebracht, so daß im Bad zwar kein Wirbel erkennbar war, jedoch auch keine Grafitteilchen an der Oberfläche auftauchten.

Bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 70 Upm wurden in sechs Kupferkokillen Blöcke der Abmessung 4,3 x 10 χ 10 cm unter Zuhilfenahme einer Handpfanne für den Transport zu den Kokillen abgegossen« Dabei wurden die ersten drei Blökke unmittelbar nacheinander abgegossen, während die folgenden drei Blöcke erst abgegossen wurden, nachdem die Schmelze 20 Minuten auf Gießtemperatur gehalten worden war. Die metallographische Untersuchung zeigte, daß der Grafit ziemlich gleichmäßig über das Gefüge der Gußstücke verteilt war. Die Grafitausbeute war mit einem Durchschnitt von etwa 88% sehr gut.

Beispiele 2 bis 6

Nach der Verfahrensweise des Beispiels 1 wurden ebenfalls Grafitteilchen in Schmelzen aus Aluminium, Zink und einer Zink-Aluminium-Legierung (Zn-4A1) mit k% Aluminium eingebracht. Die Teilchen waren mit Kupfer oder Nickel überzogen und bestanden aus 35% Kupfer und 65% Grafit einerseits sowie 50% Eisen und 50% Grafit andererseits. Die Aluminiumschmelzen wogen 1,9 bis 2 kg, während das Gewicht der Zinksowie der Zink-Aluminium-Schmelze etwa 4,5 kg betrug. Nach dem anfänglichen Verteilen der Teilchen wurde die Impellergeschwindigkeit fünf Minuten vor dem Gießen auf 70 Upm verringert und beibehalten. Danach wurden die Schmelzen in Kupfer-Kokillen der Abmessung 4,3 x 10 χ 17,8 cm vergossen. Die Untersuchung der Gußstücke führte zu den in der nachfolgenden Tabelle I zusammengestellten Werten.

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Tabelle I

	Bettungs metall	50%	Teilchen '	Zusatz (%)	Analyse (96)	Aus beute (%)
Ver such	Al	50%	Ni-50% Grafit	2.83	2.2	78
2	Zn	50%	Ni-50% Grafit	0.98	0.63	64
3	Zn-4A1	35%	Ni-50% Grafit	0.98	0.88	89
4	Al	50%	Cu-65% Grafit	1.85	1.47	79
5	Al		Fe-50% Grafit	1.03	0_Q 65	63
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Die Gefügeuntersuchung zeigte, daß die Verteilung der Teilchen in der Bettungsmasse sehr gut \sra.r.

Beispiel 7

Nach dem Verfahren der Beispiele 2 bis 6 wurden etwa 0,98% vernickeltes Siliziumkarbid mit einem Nickelanteil von 50% in eine Schmelze einer Aluminiumlegierung mit 12% Silizium eingebrachtο Die Untersuchung des Gefüges ergab eine gleichmäßige Verteilung des Siliziumkarbids, die Analyse einen Anteil des Siliziumkarbids von 0,88%, d.h. eine Ausbeute von etwa 89%.

Mt den nachfolgenden Beispielen soll nachgewiesen werden, daß besondere Maßnahmen nicht erforderlich sind, wenn sich während der Handhabung bildende Oberflächenoxyde durch die Schmelze reduziert werden,,

Beispiel 8

Auf die Oberfläche einer 22,7 kg-Schmelze der Zusammensetzung des Beispiels 1 wurden 2,25 kg vernickelten Grafits

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mit einem Grafitanteil von 50% gebracht und dort etwa 35 Minuten belassen. Alsdann wurde der Impeller eingetaucht und auf eine Geschwindigkeit von 520 Upm gebracht, so daß sich ein sichtbarer Wirbel bildete. Nach zwei Minuten wurde ebenso wie im Falle des Beispiels 1 die Impellergeschwindigkeit auf 70 Upm verringert. Damit verschwand der sichtbare Wirbel, ohne daß Grafitteilchen an der Badoberfläche sichtbar wurden. Die Schmelze wurde in einem Zuge in 10 Kokillen gemäß Beispiel 1 vergossen. Die Gefügeuntersuchung zeigte, daß der Grafit in allen Fällen trotz der Verzögerung beim Einbringen feindispers verteilt war. Drei Gußstücke wurden des weiteren untersucht, wobei sich eine durchschnittliche Grafitausbeute von etwa 78% ergab,

Beispiel 9

Ein dem Beispiel 8 entsprechender Versuch wurde so angelegt, daß sich vor dem Einbringen der überzogenen Teilchen an deren Oberfläche Nickeloxyd bildete. Um dies zu erreichen, wurden die vernickelten Teilchen 15 Minuten auf der Badoberfläche bei einer Temperatur von etwa 730°C belassen. Nach 1, 2,5 und 5 sowie 15 Minuten wurden einige Teilchen entnommen und einer Röntgenuntersuchung unterworfen. Dabei wurde neben Nickel und Kohlenstoff eine oxydische Nickelphase festgestellt, deren Anteil im Verhältnis zum Nickel mit der Verweilzeit zunahm. Bei einem Vergleichsversuch konnte dagegen kein Nickeloxyd festgestellt werden. Nach Ablauf der obenerwähnten 15 Minuten wurden die verbliebenen Teilchen in der Schmelze verwirbelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch zum feindispersen Verteilen von Grafit in Kupfer und Kupferlegierungen, beispielsweise Messing und Bronze, sowie in Blei und Zinnlegierungen, von Silizium-, Aluminium- und Magnesiumoxyd sowie anderen Oxyden in Metallen wie Kupfer und

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Nickel, von Silizium- und Magnesiumoxyd und anderen Oxyden in Aluminium, von schweren Oxyden in Blei, von Siliziumkarbid in solchen ME-Metallen wie beispielsweise Zink, Kupfer oder Aluminium, von Diamanten beispielsweise in Aluminium und Zink, von Glimmer in niedrigschmelzenden Metallen wie Zink, Blei, Aluminium und Magnesium. Außerdem können Nitride und Boride, Karbide und Oxyde eingebracht werden. Besondere Bedeutung kommt dem Molybdänsulfid als Schmiermittel sowie dem Einbringen intermetallischer Verbindungen zu.

Außer einer Verbesserung der Reibung und des Widerstandes gegen Verschleiß und Abrieb sowie einer höheren Festigkeit lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Verbundwerkstoffe herstellen, die je nach der Natur der Komponenten eine verbesserte Zerspanbarkeit, Korrosionsbeständigkeit oder bessere magnetische Eigenschaften besitzen» Ein besonderes Anwendungsgebiet stellt die Farbgebung dar, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren den Vorteil mit sich bringt, daß die betreffenden Teile im Gegensatz zu einem beispielsweise durch Kratzer, Verschleiß usw. entfernbaren Farbanstrich durch und durch farbig sind. Für diesen speziellen Anwendungsfall sollte der Überzug nicht zersetzt werden, d.h. bei der Badtemperatur stabil sein. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Teile können auch bessere Dämpfungseigenschaften besitzen und damit wesentlich zur Lärmbekämpfung beitragen. Schließlich kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren das Gefüge in einer Weise beeinflußt werden, wie es bei der herkömmlichen Legierungstechnik nicht möglich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich beispielsweise zum Herstellen von gleitend beanspruchten Teilen wie Kolben, Lager, Schieberventile, Zylinderfutter und -blöcke, sowie elektrische Schalt- und Kontaktelemente, die alle

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durch Einbetten von Grafit in Aluminium oder Aluminiumlegierungen hergestellt werden können» Rutschfeste Teile wie Stufen, Tritte, Laufflächen, Bootssitze, Werkzeuggriffe, Schuhsohlen und Nägel lassen sich ebenso nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellen wie Teile mit hoher Reibung, beispielsweise Reibscheiben, Bremsbeläge, Bremstrommeln und Reibbeläge. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren geeignet zum Herstellen von Teilen für Reibungsantriebe wie beispielsweise Kupplungen, Förderbänder, Förderrollen, Zahnräder, Spielzeug- und Projektorantriebe, Riemenscheiben sowie für Werkzeugmaschinen wie beispielsweise Schwabbel, Honwerkzeuge, Ahlen, Räum- und Ziehnadeln, Stecheisen, Dorne, Gesenke und Matrizen sowie von verschleißfesten Werkstoffen wie elektrische Kontakte, Schalträder, Pumpenteile, Safes, hitze- und bohrfeste Teile, Mahlräder sowie von Zahnrädern, hochfesten Bauteilen und dekorativen Teilen.

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Claims

International Nickel Limited, Thames House, Millbank, London _? S. W. 1, Großbritannien

Patentansprüche;

ο Verfahren zum Herstellen von Verbundteilen aus einer metallischen Bettungsmasse und in dieser feindispers verteilten, im Metall der Bettungsmasse nicht löslichen Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen mit einem durch das Metall der Bettungsmasse benetzbaren Überzug versehen, in einer Schmelze des Metalls der Bettungsmasse verwirbelt und in Suspension zur Erstarrung gebracht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelgeschwindigkeit nach dem Verteilen der Teilchen auf einen die Dispersion erhaltenden Wert verringert und während des Gießens gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Teilchen mit einem Metall überzogen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisierten Teilchen unter Schutzgas in die Schmelze eingebracht werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen mit einem durch die Schmelze reduzierbare Oxyde bildenden Metall überzogen werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5,

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dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen mit Nickel, Kupfer, Eisen, Zink, Kobalt, Aluminium oder deren Legierungen überzogen werden.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß überzogener Grafit oder überzogene Oxyde, Karbide, Nitride und Boride in die Schmelze eingebracht werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Teilchen aus metallisiertem Siliziumoxyd, Siliziumkarbid oder Aluminiumoxyd in die Schmelze eingebracht werden.
9. Nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 8 aus einem Werkstoff mit metallischer Bettungsmasse und feindispers verteilten, im Metall der Bettungsmasse nichtlöslichen Teilchen bestehende Teile.
10. Verwendung eines nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten Werkstoffs aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit eingebettetem Grafit zum Herstellen von Kolben.
11. Verwendung eines nach den Verfahren der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten Werkstoffs zum Herstellen von Lagern oder Gleitkontaktelementen, rutschfesten Teilen, Reibteilen, Reibantrieben, Maschinenteilen und verschleißfesten Teilen.
12. Verwendung eines nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten Werkstoffs für durch und durch farbige Teile.

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