DE2333614A1

DE2333614A1 - Gegenstand aus mehreren bestandteilen sowie verfahren und vorrichtung zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2333614A1
Application number: DE19732333614
Authority: DE
Inventors: Werner Gustav Horn; Robert Morris Neumann
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1973-07-02
Filing date: 1973-07-02
Publication date: 1975-02-20

Description

"Gegenstand aus mehreren Bestandteilen sowie Verfahren und Vorrichtung zu dessen Herstellung"

Die Erfindung betrifft einen Gegenstand aus mehreren Bestandteilen sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Herstellung.

Streifenförmige Gegenstände aus Metallpulvern oder Gemischen von Metallpulvern können wegen der schlechten Fließ- bzw. Strömungseigenschaften der Metallpulver nicht mit hoher Geschwindigkeit hergestellt werden. Bei der Herstellung von streifenförmigen Gegenständen aus groben Metallteilchen oder Mischungen grober Metallteilchen werden die schlechten Fließeigenschaften feiner Metallpulver umgangen; dabei ist es jedoch nicht möglich, eine gleichmäßige Verteilung eines feinen zweiten Bestandteiles in der Matrix zu erhalten, da die Teilchen des zweiten Bestandteiles sehr grob sind.

So ist es bekannt, durch Heißverdichten von groben Metall-" teilchen, beispielsweise aus Aluminium, Magnesium, Stahl oder

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nickel, einen streifenförmigen Gegenstand herzustellen. Es ist ebenfalls bekannt, durch Verdichten von Pulvern derartiger Metalle einen Streifen herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gegenstand zu schaffen, der die Vorteile von aus groben Teilchen hergestellten Gegenständen mit denen aus Pulverteilchen hergestellten Gegenständen in vorteilhafter Weise vereinigt.

Zur Lösung" dieser Aufgabe sind bei einem Gegenstand aus mehreren Bestandteilen erfindungsremäß eine Matrix aus verdichteten Metallteilchen mit einem Durchmesser von 150 bis 1200.um und mindestens einen weiteren, in der Matrix verteilten Materialbestandteil aus einem Pulver," dessen Pulverteilchen einen Durchmesser von weniger als 5Gyum aufweisen, vorgesehen.

Ein Verfahren zur Herstellung eines erfxndungsgenäßen Gegenstandes ist dadurch gekennzeichnet, daß Metallteilchen mit einem Durchmesser von 150 bis 1200 .um sowie mindestens ein Pulvermaterial, dessen Pulverteilchen einen Durchmesser von weniger als 50,um aufweisen hergestellt werden, daß die Pulverteilchen den Metallteilchen zugemischt werden und daß das Gemisch unmittelbar nach dem Zumischen zu einem verdichteten Gegenstand komprimiert wirdi

Eine Vorrichtung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Gegenstandes ist durch eine Zufuhreinrichtung für die Metallteilchen , eine der Zufuhreinrichtung nachgeschal tete Mischeinrichtung , mit der das Pulver mit den

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Metallteilchen nischbar ist und eine Komprimiereinrichtung,

die mit der Zufuhreinrichtung in Verbindung steht, nahe · hinter der Mischeinrichtung angeordnet ist und mit der die Metallteilchen zu dem verdichteten Gegenstand komprimier bar sind, gekennzeichnet.

für Auch für Gemische aus Metallteilchenj/die in den Ansprüchen bevorzugte Materialien, Durchmesserbereiche und Länge-Durchmesser-Verhältnisbereiche angegeben sind, und aus mindestens einem weiteren Pulverbestandteil, für den in den Ansprüchen bevorzugte Materialien und Teilchendurchmesser angegeben sind, wird hiermit ausdrücklich Schutz begehrt, da sie zum Bereich der Erfindung gehören.

V.'egen der Entmischungseffekte, die mit der Teilchengroße und -dichte zusammenhängen, und wegen des sehr großen Größenunterschiedes zwischen den groben Matrixteilchen und dem feinen. Pulver des weiteren Bestandteiles wurde bisher das Verdichten von Gemischen grober Metallteilchen und feiner Pulver als nicht durchführbar angesehen. Die Erfindung'schafft nun die Möglichkeit, auch Gegenstände herzustellen, die sowohl grobe Metallteilchen als auch feine Pulver enthalten.

Es gehört nicht zum Stand der Technik, grobe Metallteilchen aus Kupfer zu einem Gegenstand zu verdichten. Es ist deshalb auch Gegenstand der Erfindung, Gegenstände aus groben Kupfer oder Kupferlegierungsteilchen zu schaffen, die keinen weiteren Materialbestandteil enthalten. Hierfür wird ausdrücklich selbständiger Schutz begehrt.

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Die Erfindung schafft also auch ein Verfahren und eine Vorrichtung, wonach ein oder mehrere Pulverbestaridteile den Metallteilchen unmittelbar vor Komprimierung des Gemisches ^: zu einem Streifen hinzugefügt werden. Durch ein derartiges Hinzufügen des Metallpulvers zu den Metallteilchen werden Entmischungseffekte, die mit der Teilchengröße und -dichte zusammenhängen, im wesentlichen ausgeschlossen.

Durch die Erfindung wird auch ein aus mehreren Bestandteilen bestehender Gegenstand, beispielsweise ein Streifen, mit einer Matrix aus verdichteten, groben Metallteilchen und mindestens einem weiteren Bestandteil aus einem feinen Pulver, der in der Matrix verteilt ist, geschaffen.

Besonders bevorzugt ist ein streifenförmiger Gegenstand, bei dem die Matrixteilchen au3 Kupfer oder einer oder mehreren Kupferlegierungen bestehen.

Die Erfindung schafft auch einen Streifen, der durch Komprimieren grober Teilchen aus Kupfer oder einer oder mehrerer Kupferlegierungen gebildet ist, ohne daß die Zumischung eines weiteren Bestandteiles unbedingt erforderlich wäre.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Komprimierung grober Teilchen aus Kupfer oder einer oder mehrerer Kupferlegierungen zu einem verdichteten Streifen.

Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Komprimierung eines Gemisches aus groben Metallteilchen und mindestens einem weiteren Bestandteil, der ein feines· "

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Pulver aufweist, zu einem verdichteten Gegenstand, beispielsweise einem Streifen.

Besonders bevorzugt sind grobe Me tall teilchen, die Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweisen.

Durch die Erfindung werden Gegenstände, insbesondere mehrphasige Streifen, mit erhöhter Korrosionsbeständigkeit, geschaffen.

Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Metallteilchen mit einem Durchmesser von JJOO bis 700/um und zugleich mit einem Länge-Durchmesser-Verhältnis von 4:1 bis 6:1.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Darstellungen an einigen Aus fUhfungsbei spielen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der

Erfindung;

Fig. 2 grobe Metallteilchen als Beispiel für Metallteilchen, wie

sie bei der Erfindung verwendbar sind; und

Fig. 3 mikroskopische GefUgeaufnahmen zur Verdeutlichung der Auswirkung der Verdichtungstemperatur bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei der grobe Kupferteilchen zu einem Streifen

verdichtet werden.

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Der Verdichtungs- bzw. KomprimierungsVorgang, der bei der Erfindung durchgeführt werden muß, wenn grobe Metallteilchen zu einem Streifen oder wenn Gemische von groben Teilchen und feinem Pulver zu einem mehrphasigen bzw. aus mehreren Bestandteilen bestehenden Metallstreifen gebildet werden, ähnelt in gewisser V/eise dem Verfahren der US-PS 3 076 706. Das dort beschriebene Verfahren bezieht sich auf die Herstellung eines festen Streifens aus aluminiumhaltigem Metall aus vorerhitzten, groben Teilchen durch Walζverdichten. Dieses Verfahren unterscheidet sich eindeutig vom Verfahren gemäß der Erfindung, da beim bekannten Verfahren kein Vorschlag gegeben ist, Gemische von groben Metallteilchen und einem anderen Material in Form eines feinen Pulvers au einem mehrphasigen Streifen zu bilden.

US-PS 3 290 1^5 und US-PS 3 413 101 beschreiben die Bildung eines mehrphasigen Streifens ausschließlich aus groben Aluminiumteilchen

und einem davon unterschiedlichen Material oder von groben Teilchen verschiedener Aluminiumlegierungen; Die in -diesen Patentschriften offenbarten Verfahren unterscheiden sich ebenfalls von der Erfindung, da kein Vorschlag .vorhanden ist, Gemische grober Metallteilchen und feiner Pulver zu komprimieren.

Nach der Lehre der Erfindung werden grobe Teilchen eines ersten Metalls mit einem feinen Pulver eines zweiten Metalls oder eines anderen Materials gemischt. Dieses Gemisch bzw. Gemenge wird dann zu einem verdichteten Streifen komprimiert, der eine Matrix bzw. einen Hauptbestandteil, der aus den groben Metall teilchen ge-

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bildet ist, und mindestens eine weitere feinverteilte Phase, die aus dem Pulver, beispielsweise dem Metallpulver, gebildet ist, aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere auf die Herstellung eines mehrphasigen Streifens gemäß der US-PS 3 57^ 08l der gleichen Anmelderin anwendbar. Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht die Herstellung irgendwelcher gewünschter Matrix-Kombinationen für eine Anode, wie es aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich werden wird.

Bekannte Verfahren zur Behandlung von Streifen aus Metallpulvern verwenden relativ feine Pulver, deren Teilchen im allgemeinen einen Durchmesser unter 50 /um aufweisen. Diese Pulver werden durch Walzen zu einem rohen Streifen komprimiert, der nachfolgend über eine Folge mehrerer Schritte, die in Sintern und Kaltwalzen bestehen, auf die endgültigen·Abmessungen gebracht wird. Wegen der

relativ schlechten Fließeigenschaften -dieser Pulver ist die Walzgeschwindigkeit im allgemeinen auf etwa 3,05 m/Min. (10 f t/min.) begrenzt. Die Erfindung beinhaltet hingegen das Komprimieren grober Metallteilchen; vorzugsweise länglicher grober Teilchen, die mit mindestens einem feinen Pulver einer zweiten Phase gemischt sind, zu einem vollständig verdichteten Streifen. Wegen der besseren Fließeigenschaften der Teilchen,insbesondere des Unterschieds der langgestreckten Teilchen verglichen mit allen Pulvergemischen, lassen sich höhere Walzgeschwindigkeiten bis hinauf zu

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61 m/Min. "(200 ft./min.) erreichen. Wenn die Teilchen vorgeheizt werden, sind keine gesonderten oder zusätzlichen Sinteroder Walzvorgänge notwendig; sie können allerdings nachfolgend durchgeführt werden, zur Steuerung der Abmessungen oder des Gefügebzw. Glühzustands oder für andere gewünschte Zwecke.

Im Fall von Anoden-Matrixkombinationen, die durch die US-PS 3 57¹J- 08l umfaßt sind,· wird im Rahmen der Erfindung angestrebt, die Wechselwirkungen zwischen den Phasen bzw. Bestandteilen des Streifens zu vermindern; deshalb wird der Streifen vorzugsweise durch Komprimierung im erhitzten Zustand ohne irgendeine nachfolgende Wärmebehandlung; ausgenommen etwa ein kurzzeitiges Anlassen bzw. Glühen, behandelt.

Im folgenden wird nun das erfindungemäße Verfahren im einzelnen unter Bezug auf die Fig. 1 beschrieben, die eine scheroatische Ansicht einer typischen Vorrichtung 1 zeigt, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels des bevorzugten Verfahrens der Komprimierung im erhitzten Zustand geeignet ist.

In einem Zuführtrichter 5 befindet sich ein Vorrat von Metallteilchen 2. Die Metallteilchen 2 werden kontinuierlich von dem Zuführtrichter 3 mit Hilfe von an dem Zuführtrichter 3 und an einer Rutsche 4 angebrachten Vibratoren V in ein rotierendes Rohr 5 aus Incon_wel (78* Ni; 15* Cr; 7* Fe; 0,04* C; 0,35* Mn; 0,2* Si) Überführt. Das Rohr 5 ist innerhalb eines Ofens 6 angeordnet und um etwa 10° gegenüber der Horizontalen in Förderrichtung nach unten geneigt. Das Ausmaß der Neigung ist im Rahmen der Erfindung kein kritischer Gesichtspunkt und wird je nach

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Wunsch so festgelegt, daß eine geeignete Strömungsgeschwindigkeit der Teilchen durch den Ofen 6 erhalten wird. Das rotierende Rohr aus Inconel wird durch herkömmliche Antriebsmittel gedreht, beispielsweise eine AntriebsUbertragung J, die mit einem Motor 8 verbunden ist.

Die Metallteilchen 2 werden während ihres Durchlaufs durch den Ofen 6 sowie während der nachfolgenden Vorgänge bis zum Abschluß ihrer Komprimierung vorzugsweise unter einer kontrollierten Gasatmosphäre, beispielsweise einer reduzierenden Atmosphäre, gehalten. Als besonders geeignet für diesen Zweck hat sich ' eine Atmosphäre mit 96 Volumenprozent Stickstoff und ¹J Volumenprozent Wasserstoff erwiesen; sie wird oberhalb der. Rutsche k bei G zugeführt.

Infolge der Drehung des Rohres 5 aus Inconel passieren die Teilchen 2 den Ofen 6, wo sie auf die gewünschte Temperatur, vor-

zugsweise über ihre Rekristallisationstemperatur hinaus, aufgeheizt werden. Hinter dem Ofen 6 werden die Teilchen 2 in einen Speisekasten 9 abgegeben und fallen nach unten in den Spalt eines Paares horizontal angeordneter Walzen 10. Der Speisekasten 9 ist über eine gasdichte Dichtung bei 11 mit des rotierenden Rohr 5 verbunden und oberhalb der horizontal angeordneten Walzen 10 angeordnet .

Um eine gleichmäßigere Verteilung der Teilchen 2 über die Fläche des Walzeneingriffs 12 zu schaffen, wird vorzugsweise eine Leitfläche 13 innerhalb des Speisekastens 9 verwendet. Die Leitfläche 13 ist im allgemeinen unterhalb des Endes 14 des rotierenden Rohrs*"

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5 angeordnet.

Im Bereich des Endes des rotierenden Rohrs 5* das aus dem Ofen β herausragt, sind vorzugsweise Gasbrenner 15 vorgesehen, die einen Wärmeverlust der darin enthaltenen Teilchen 2 verhindern. Unterhalb beider Walzen 10 sind vorzugsweise v/eitere Gasbrenner l6 angeordnet, um die Walzenoberfläche auf eine Temperatur von 150 bis 250 C, vorzugsweise von I70 bis 200⁰C, vorzuheizen und so die Abschreckwirkung der Walzen 10 bei ihrer Berührung mit'den Teilchen zu verringern.

Ein Pulver 17 einer zweiten Phase bzw. eines zweiten Bestandteils wird vorzugsweise den vorgeheizten Matrixteilchen 2 unmittelbar vor deren Eintritt in den Walzeneingriff 12 zugefügt. Es wurde gefunden, daß eine Mischung der beiden Komponenten 2 und 17 in einer früheren Stufe des Prozesses wegen des größeren Unterschieds der Teilchengröße schwerwiegende Entmisehungs- bzw. Segregationsprobleme mit sich bringt. Deshalb sind Mittel vorgesehen, die das Pulver 17 der zweiten Phase in den vorgeheizten Matrixteilchen 2 verteilen.. Das Pulver der zweiten Phase wird vorzugsweise kalt zugegeben.

Fig. 1 zeigt einen möglichen Weg zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Es versteht sich, dafl im Rahmen der Erfindung auch noch andere Möglichkeiten ausführbar sind.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird das feine Pulver 17 unter Vibration durch ein Sieb aus einem Behälter l8, der sich innerhalb des

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Speisekastens 9 unmittelbar oberhalb des Walzeneingriffs 12 befindet, abgegeben. Ein Vibrationsantrieb 19 für den Behälter 18 ■ ist außerhalb des Speisekastens 9 angeordnet , und eine mit dem Vibrationsantrieb 19 und dem Pulverbehälter 18 verbundene Stange

überträgt die notwendige Vibrätionsenergie. Die Abgabegeschwindigkeit kann durch Änderung der* Amplitude der Vibrationen geregelt werden.

Es können auch andere Mittel zum Hinzufügen von Pulvern der zweiten Phase, beispielsweise unter Verwendung von Sprühtechniken oder anderen bekannten Verfahren zur Verteilung von Pulvern, Anwendung finden. Es ist lediglich wichtig, daß das Pulver zugefügt wird, unmittelbar bevor das Gemisch in den Walzeneingriff eintritt. Der vollständig komprimierte Streifen S wird mittels einer Rampe R zur.Weiterbehandlung und/oder zum Aufspulen geführt.

Gemäß der Erfindung kann der Streifen bei Geschwindigkeiten bis hinauf zu 61 m/Min. (200 ft./min.) und gegebenenfalls sogar noch höheren Geschwindigkeiten gebildet werden; vorzugsweise wird der Streifen jedoch bei Geschwindigkeiten zwischen etwa 6,1 und 45,7 m/Min.(20 und 150 ft./min) gebildet.

Die groben Teilchen , die gemäß der Erfindung die Matrixphase des zusammengesetzten Gegenstands bilden, besitzen im allgemeinen Durchmesser von etwa I50 bis 1200/um, vorzugsweise etwa 3OO bis 700/um. Vorzugsweise haben die Teilchen ein Länge-Durchmesser-Verhältnis von etwa 3:1 bis 10:1; besonders bevorzugt sind dabei Länge-Durchmesser-Verhältnisse von etwa 4:1 bis 6:1. ^v "*

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Verschiedene Arten von Metallteilchen oder Körnchen, die bei der Erfindung verwendbar sind, sind bekannt. In Fig. 2 sind drei exemplarische Arten von Kupferteilchen dargestellt, die im Hinblick auf die Anwendung bei der Erfindung untersucht wurden. Fig. 2a zeigt eine vergrößerte Ansicht (6,$x) von Kupferteilchen, die durch Zerstückeln von Altmaterial bzw. Ausschußmaterial von Elektrodraht hergestellt wurden. Da der Draht im (weich-)geglühten Zustand zerstückelt wurde, wird angenommen, daß die Teilchen eine gebogene bzw. hakenartige Form, wie dargestellt, besitzen. Die Durchmesser der meisten der in Fig. 2a dargestellten Teilchen liegen im Bereich zwischen etwa 700 bis 1200 /um.

Fig. 2b zeigt eine vergrößerte Ansicht (6,5x) von Kupferteilchen, die auf ähnliche Weise wie die Teilchen aus Fig. 2a hergestellt wurden; die Teilchen wurden jedoch durch Zerstückeln eines dünneren Drahts hergestellt, und der Großteil der Teilchen lag dem Durchmesser nach im Bereich zwische'n 400 und 700/um. ' .

Fig. 2c zeigt eine vergrößerte Ansicht (6,5x) von Teilchen aus elektrischem Leit-Kupferdraht mit drei Durchmessern: 320 /um , 450/um und 510/um. Der Härtezustand des Drahts variierte von viertelhart bis federhart; der Draht wurde zerschnitten und ergab im wesentlichen gerade Teilchen mit einem Länge-Durchmesser-Verhältnis von etwa 10:1.

Vor der Weiterbehandlung wurden die Teilchen der Fig. 2 gereinigt und geglüht gemäß bekannter Techniken.

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Die Notwendigkeit, die Teilchen zu reinigen

und zu glühen, hängt im allgemeinen von ihrer Vorbehandlung ab. Beim beschriebenen Beispiel wurden die Teilchen in Benzin eingetaucht und in Aceton gespült, um eine rückstandfreie Oberfläche zu erzielen.

Anschließend wurden die Teilchen zwei Stunden lang bei 65Ο C unter einer reduzierenden Atmosphäre (weich-) geglüht, wodurch Oberflächen oxide entfernt und ihre Duktilität sichergestellt wurden. Alle in Fig. ^ dargestellten Teilchen können mit Erfolg zu einem völlig verdichteten Streifen weiterbehandelt werden.

Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des entstehenden Streifens sind- in der folgenden Tabelle denen eines Streifens

aus der Kupfer-Khetlegierung 110 ( >99,9# Cu; 0,04# O₂) gegenübergestellt:

N -f

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Tabelle

Mechanische und elektrische Eigenschaften des gewalzten Streifens

Eigenschaften beim Zugversuch

Material

Kupferteilchen nach Fig.2a Kupferteilchen nach Fig.2b Kupferteilchen nach Fig.2c

Geglühter Streifen aus der Legierung 110

Material

Geglühter Streifen aus
der Legierung 110

Ungefähre Teilchen- temp. ⁰C	■	0,1 *- Streck- ,grenze ¹ 2 kp/mm (ksi)	Bieoeac-hse senrecht,zur Walzrichtung	Zug festigkeit p kp/mm (ksi)	(37-	.7)	Dehnunp:, · 50,8 mm Ausgangs- meßlänge
375	14,55 (20.7)	mm (inch) O,2O3( .008)	26,50	(33-	.8)	8,0
375	7,87 (11.2)	<O,2O3(<.OO8)	'23,76	(37·	.5)	44,5'
375	11,39 (16.2)	<O,2O3(<.OO8)	26,36	(34,	.0)	36,0
5,30 ( 7.5)	23*90	Vickers-	44,0
Minimaler Biegeradius	Härte kp/mm^	Elektrische Leitfähigkeit
Biegeachse in walz- r^chtunp;	67,0	% IACS (Intern. Standard for Annealed Copper)
**τ, mi***	■67,0
<0,20/5 (<. 008)	75,0
<0,203 fc. 008)
	101
	101
	101

<0,203(<.008)O,203(<.008) 62,0

Aus der Tabelle geht hervor, daß die feineren Teilchen gemäß den Fig. 2b und 2c einen Streifen mit mechanischen Eigenschaften, die denen der Kupferlegierung 110 vergleichbar sind, ergaben. Die gröberen Teilchen geraäS Fig. 2a ergaben einen Streifen mit geringerer Zug-Dehnung und schlechteren Biegeeigenschaften. Demgemäß ist die Verwendung von Teilchen mit einem. Durchmesserbereich zwischen etwa ;500 bis 700/um und die Verwendung im wesentlichen gerader, langgestreckter Teilchen wegen deren besseren Fließeigenschaften bevorzugt. Gebogene Teilchen haben in höherem Maße die Tendenz, sich zu verhaken und sich im Walzeneingriff anzusammeln, wodurch der benötigte "Metallkopf" oberhalb des Walzeneingriffs aus dem Gleichgewicht kommen kann. Die besseren Fließeigenschaften von geraden oder leicht gebogenen Teilchen gemäß den Fig. 2b oder 2c ist gegenüber der hakenförmigen bzw. stärker gebogenen Gestalt der Teilchen gemäß Fig. 2a für die Erreichung höherer Walzgeschwindigkeiten vorteilhaft.

Es wurde gefunden, daß beim Heifl-Komprimieren der Teilchen die Temperatur, bei der die Teilchen zu einem Streifen verdichtet werden, ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Erfindung ist. Vorzugsweise soll die Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur der Metallteilchen liegen. Fig. 5a zeigt die Mikro- struktur (lOOOx) eines durch Walzen verdichteten Streifens, der

durch
ausi Zerschneiden von Draht gewonnenen Kupferteilchen hergestellt wurde, wobei die Teilchen vor dem Komprimieren auf 200⁰C vorer hitzt worden waren. Der Pfeil weist auf eine Stelle, an der eine durchgehende Oxidzwischenschicht an der ursprünglichen Teilchenoberfläche vorhanden ist. Es zeigte sich, daß Kupferstreifen·,"die-.

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bei Temperaturen zwischen 200 und 250°C komprimiert worden waren, sehr begrenzte Festigkeit und Biegefähigkeit aufwiesen.

In Fig. 3b ist die Mikrostruktur eines durch Walzen komprimierten Streifens dargestellt, der bei einer Temperatur von 375°C verdichtet wurde. Man erkennt, daß die verbleibende Oxidzwischenschicht (s. Pfeil) nunmehr diskontinuierlich bzw. unterbrochen ist; das hat zur Folge, daß der Streifen gute Eigenschaften, wie in der Tabelle .aufgeführt, aufweist.

Demgemäß ist im Rahmen der Erfindung bevorzugt, daß die Teilchen vor der Komprimierung auf eine Umgebungstemperatur aufgeheizt werden, die oberhalb ihrer Rekristallisationstemperatur liegt. Im Fall' von Kupfer oder Kupferlegierungen beträgt die Temperatur im Walzeneingriff 350 bis 500⁰C₁VOrZUgSWeISe 375 bis 45O°C.

Aus den Untersuchungen der Mikrostruktur gemäß Fig. 3 folgt, daß im Fall von Kupfer ein kontinuierlicher bzw. durchgehender Oxidfilm als Bindungshindernis wirkt und eine im komprimierten Streifen ablaufende Rekristallisation behindert. Infolgedessen wird eine schützende oder reduzierende Atmosphäre bevorzugt,um die Ausbildung von Oxiden während der Vorerhitzung zu vermeiden. Ein dünner Oxidfilm, unter 300 8 für Kupferteilchen, bricht jedoch während der Komprimierung auf und formt sich kugelig ein und behindert die Rekristallisation und das Kornwachstum nicht. Die Dicke des zuzulassenden Oxidfilms hängt von der Teilchenzusammensetzung ab.

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Die folgenden Beispiele verdeutlichen die Herstellung eines mehrphasigen Streifens, der durch Komprimieren vorerhitzter Gemische aus groben Metallteilchen und einem feinen Pulver einer zweiten Phase gebildet wird. Der Durchmesser der groben Metallteilchen liegt im Bereich von JOO bis 1200/um und ihr Länge-Durchmesser-Verhältnis im Bereich von 3:1 bis 10:1; die feinen Pulverteilchen der zweiten Phase haben einen Durchmesser unter 50/um, vorzugsweise von 1 bis 45/um.

Beispiel 1

Es finden Kupferteilchen mit .einem Durchmesser von 400 bis 700/üm und einem Länge-Durchmesser-Verhältnis von 3:1 bis 6:1 sowie die Vorrichtung gemäß Fig. 1 Verwendung. Die Kupferteilchen werden auf eine. Tempera tür von mindestens J375°C vorerhitzt. Etwa 0,5 Gewichtsprozent feines Aluminiumpulver mit einem Durchmesser der Teilchen von unter 44/um werden unter Vibration durch ein Sieb zu den auf 375°C vorerhitzten Kupferteilchen unmittelbar oberhalb des Walzeneingriffs zugegeben. Das komprimierte Flachmaterial besitzt eine saubere Struktur mit einer gut verteilten, feinen zweiten Phase . Die mikroskopische Untersuchung ergibt keine Wechselwirkung zwischen dem Kupfer und dem Aluminium, die von dem Verbindungsvorgang herrührt. Der resultierende Streifen wird einer 3>4prozentigen NaCl-Lösung ausgesetzt, deren Temperatur cyclisch zwischen Raumtemperatur und ihrem Siedepunkt für die Zeitdauer eines Monats gewechselt wird. Es ergibt sich, daß die Korrosion des Kupfers nahezu vollständig verhindert wird und daß die Proben mit einem dichten und offensichtlich schützenden "Film -.

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- 18 aus hydratisiertem Aluminiumoxid bedeckt sind.

Beispiel 2

Eisenteilchen mit einem Durchmesser von etwa 500/um und einem Länge-Durchmesser-Verhältnis von 10:1 werden auf eine Temperatur von 500⁰C vorerhitzt. Etwa 0,5 Gewichtsprozent Aluminiumpulver mit einem Teilchendurchmesser von unter 44/um werden unter Vibration durch ein Sieb den vorerhitzten Eisenteilchen unmittelbar oberhalb des Walzeneingriffs zugegeben. Das Gemisch wird dann zu einem verdichteten Streifen wie in Beispiel 1 komprimiert. Die resultierende Probe wird ebenfalls der NaCl-Lösung wie in Beispiel 1 ausgesetzt, und es ergibt sich eine ähnliche Korroaionshemmung. Wegen der kleineren treibenden Kraft wird jedoch weniger Aluminiumoxid als. Film auf der Probe aufgebaut.

Beispiel 3

Ein mehrphasiger Kupferstreifen mit einer Zusammensetzung ähnlich der bekannter Kupfer-Eisen-Legierungen wird behandelt. Längliche Kupferteilchen mit einem Durchmesser von 300/um und einem Länge-Durchmesser-Verhältnis von etwa 5:1 werden auf mindestens 400°C vorerhitzt· Eisen-Pulverteilchen mit· einem Durchmesser von 5/um werden unter Vibration durch ein Sieb den vorerhitzten Kupferteilchen in einer Menge von 0,5 Gewichtsprozent Eisen zugegeben. Das Gemisch wird zu einem Streifen wie in den vorhergehenden Beispielen komprimiert. Es ergibt sich, daß der resultierende Streifen eine gleichmäßige Verteilung feiner Eisenteilchen und

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eine Kupfermatrix ähnlich der bekannter Kupferlegierungen aufweist.

Beispiel 4

Ein mehrphasiger Kupferstreifen wird ebenso wie in Beispiel 1 und 3 hergestellt; allerdings ist das Pulver der zweiten Phase Graphit, Blei oder Molybdändisulfid, wobei die Pulverteilclien einen Durchmesser unter 50 /um besitzen. Die Struktur des resultierenden Streifens ähnelt herkömmlich behandeltem Material, das durch Gießen oder Pulvermetallurgie (Sintern) hergestellt ist, und kann für Selbstschmier-Anwendungen, beispielsweise für Lager, Anwendung finden.

Beispiel 5

Eine weitere Gruppe von Streifen mit einer Kupfermatrix wird unter Hinzufügung von Pulver,"dessen Teilchen einen Durchmesser unterhalb von 50/um besitzen, aus Aluminiumoxid, Bariumsulfat, Aluminiumsilikat oder Siliciumcarbid hergestellt. Die Kupferteilchen haben einen Durchmesser von 150/um und ein Länge-Durchmesser-Verhältnis von etwa 6;1. Zusammen mit 1 oder 2 Volumenprozent des Pulvers der zweiten Phase mit· einem Teilehendurchmesser von \J> bis 26/um werden sie heißkomprimiert wie in den vorhergehenden Beispielen. Die Verwendung der resultierenden Streifen ist besonder vorteilhaft bei Anwendungen, bei denen es auf Reibungs- und Verschleißbeständigkeit ankommt, da die resultierenden Materialien einen hohen Reibungskoeffizienten behalten und erzeugte Wärmeenergie wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit des Matrixmaterial«.

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- 20 leicht abgeleitet wird.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann von den Techniken der US-PS 3 533 782 und der US-PS 3 539 405 Gebrauch machen, wonach Metallteilchen durch Zerstäuben einer Metallschmelze hergestellt werden. Dadurch werden Tröpfchen gebildet, die zu Teilchen erstarren; die Teilchen werden komprimiert, bevor sie sich wesentlich abgekühlt haben, wodurch ein zv/ischengeschalteter Aufheizschritt eingespart wird.

Ferner ist das Verfahren gemäß der Erfindung zur Herstellung eines zusammengesetzten bzw. mehrschichtigen Streifens geeignet, der ein Hinterlegelement und einen Streifen aus einer Teilchenschicht, wie in der US-PS 2 815 567 und der US-PS 3 145 560, aufweist.

Die besonderen Einstellungen des Walzenspalts variieren mit dem Typ des verwendeten Walzwerks. ·

Die vorhergehenden Beispiele wurden unter Verwendung eines"Stanat"-Walzwerks mit horizontal angeordneten Walzen mit einem Durchmesser von 15,24 cm (6") ausgeführt. Für ein. der artiges Walzwerk wurden die Walzspalteinstellungen mit zwischen 0,51 und 2,54 mm (0,020 und 0,100") ermittelt, wobei sich Streifenstärken zwischen 1,02 und 1,78 mm (0,040 und 0,070") ergaben.

Der Streifen gemäß der Erfindung wird vorzugsweise auf eine Dichte'

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von mindestens 99*5 % verdichtet.

In den Beispielen wurden zweiphasige Systeme erläutert; es ist möglich ,mittels des Verfahrens gemäß der Erfindung eine Zahl von Phasen, die über zwei lieg^ zu vereinigen. Die Menge der einen oder der mehreren weiteren Phase(n) ist durch den Verwendungszweck des Gegenstandes bestimmt ,beträgt jedoch vorzugsweise 0,1 bis 20 Volumenprozent und höcnstvorzugsweise 0,2 bis J5 Volumenprozent. Für als Anode dienende Matrix-Kombinationen, wie sie in der US-PS 2 57²I- 08l beschrieben sind, ist die Verwendung von 0,1 bis 4,0 Gewichtsprozent der mindestens einen weiteren Phase bevorzugt.

Die Erfindung wurde zwar für die Herstellung von strei?enartigen Gegenständen beschrieben, sie ist jedoch in gleicher Weise anwendbar auf die Herstellung anderer Arten von Gegenständen, beispielsweise von Stangen bzw. Blöcken, Profilen und anderen Formen, die einem kontinuierlichen Heiß-Komprimiervorgang zugänglich sind. Für die Erfindung ist die Verwendung horizontal angeordneter Walzen für die HeiJS-Verdichtung nicht wichtig oder unbedingt erforderlich; jede gewünschte Walzenanordnung oder Verdichtungsmittely.wie sie zum Stand der Technik gehören, können Verwendung finden. Eine andere derartige Verdichtungseinrichtung, die sich als geeignet erweisen könnte,würde eine Rundhämmermaschine anstelle des Walzwerks sein.

Die bei der Erfindung zur Herstellung eines mehrphasigen Gegen-Stands verwendbaren Metallteilchen können aus irgendeinem bekannten

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Metall oder dessen Legierungen bestehen, vorausgesetzt, sie weisen die notwendige Duktilität bzw. Verformbarkeit auf, um sich zu einem verdichteten Gegenstand komprimieren zu lassen. Als Beispiele werden Eisen, Aluminium, Magnesium, Nickel, Kobalt und insbesondere Kupfer aufgeführt. Das Pulver der zweiten Phase kann irgendein gewünschtes Material, beispielsweise Metalle, Keramikmaterial, Karbide, isolierende Stoffe, Glas usw. sein. Das Pulver muß nicht duktil sein.

Die Erfindung wurde im einzelnen anhand eines bevorzugten Verfahrens beschrieben, das die Verdichtung vorerhitzter Teilchen aufwies; sie ist jedoch auch auf andere Verdichtungsverfahren, wie sie zum Stand der Technik gehören, beispielsweise Verdichten mit anschließendem Sintern, anwendbar.- Wenn auch längliche Teilchen bei.der Erfindung bevorzugt sind, weil sie die besten Fließeigenschaften ergeben, können jedoch Teilchen irgendeiner gewünschten Form oder Gemenge mit länglichen Teilchen Verwendung finden.

Die Erfindung betrifft auch endliche Längen des Materialstreifens.

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Claims

- 23 Ansprüche

1. Gegenstand aus mehreren Bestandteilen, gekennzeichnet durch eine Matrix aus verdichteten Metallteilchen (2) mit einem Durchmesser von 150 bis 1200/um und durch mindestens einen weiteren, in der Matrix verteilten Materialbestandteil (17) aus einem Pulver, dessen Pulverteilchen einen Durchmesser von weniger als 50/um aufweisen.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen (2) im wesentlichen ein Länge-Durchmesser-Verhältnis von 3:1 bis 10:1 besitzen.

3. Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall teilchen (2) ein Länge-Durchmesser-Verhältnis von 4:1 bis 6:1 besitzen.

4. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen (2) einen Durchmesser von 300 bis JOO Aim besitzen. ■

5. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverteilchen einen Durohmesser von 1 bis 45/um besitzen.

6. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Streifenform (S). ^N"

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7· Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen (2) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen,

8. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen (2) aus Eisen oder einer Eisenlegierung bestehen.

9. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Materialbestandteil (17) aus Aluminium besteht.

10. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Materialbestandteil (17) aus Eisen besteht. -

11. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Materialbeständteil (17) aus Gra_pni_t Blei oder Molybdändisulfid besteht.

12. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Materialbestandteil (17) aus Aluminiumoxid, Bariumsulfat, Aluminiumsilikat oder Siliciumcarbid besteht.

13. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Metallteilchen

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- 25 - ■; mit einem Durchmesser von 150 bis 1200 .-um s'owie mindestens ein Pulvermaterial, dessen Pulverteilchen einen Durchmesser von weniger als 50,um aufweisen, hergestellt werden, daß die Pulverteilchen den Metallteilchen zugemischt werden und daß das Gemisch unmittelbar nach dem Zumischen zu einem verdichteten Gegenstand komprimiert wird.

IM. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen vor der Zumischung auf eine Temperatur oberhalb ihrer Rekristallisationstemperatur erhitzt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14,' dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver kalt den vorerhitzten Metallteilchen zugemischt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnetj daß das Pulvermaterial in einer Menge von weniger als 20 Volumenprozent des Gemisches und die Metallteilchen im wesentlichen als Rest des Gemisches verwendet werden. ._t - _ '

17· Verfahren nach einem ^sder Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen in wesentlichen mit einem Länge-Durchmesser-Verhältnis von 3:1 bis 10:1 hergestellt werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis-17, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen «it einem Länge-Durchmesser-Verhältnis von 4:1 bis 6:1 hergestellt werden.

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19. Verfahren nach einem der Ansprüche ij> bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen mit einem Durchmesser von 300 bis 700.um hergestellt werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverteilchen mit einem Durchmesser von 1 bis *I5/Um hergestellt werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen aus Kupfer oder einer oder mehreren Kupferlegierungen hergestellt werden.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen aus Eisen oder einer oder mehreren Eisenlegierungen hergestellt werden.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver aus Aluminium oder Eisen hergestellt wird. „ ^

2k. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver aus Graphit, Blei oder Molybdändisulphid hergestellt wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver aus Aluminiumoxid, Bariumsulfat, Aluminiumsilikat oder Siliciumcarbid hergestellt wird.

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26. Verfahren nach Anspruch 21 und einem der Ansprüche 1^JI bis 20 oder 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen auf eine Temperatur von 350 bis 500⁰C vorerhitzt werden.

27. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach-einem der Ansprüche 13 bis 26, gekennzeichnet durch eine Zufuhreinrichtung (3) für die Metallteilchen (2); eine der Zufuhreinrichtung nachgeschaltete Mischeinrichtung (l8), mit der das Pulver mit den Metallteilchen mischbar ist; und eine Komprimiereinrichtung (10), die mit der Zufuhreinrichtung in Verbindung steht, nahe hinter der Mischeinrichtung angeordnet ist und mit der die Metallteilchen zu 'einem verdichteten Gegenstand (S) komprimierbar sind.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch eine Vorheizeinrichtung (6), die mit der Zufuhreinrichtung (3) und der Verdichtungseinrichtung (10) in Verbindung steht und mit der die Metallteilchen (2) auf eine Temperatur oberhalb ihrer Rekristallisationstemperatur aufheizbar sind.

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29. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischeinrichtung einen siebartigen Behälter (l8) und einen Vibrationsantrieb (19, 20) für den Behälter aufweist, wobei die Zufuhrgeschwindigkeit durch Änderung der Amplitude der Behältervibrationen einstellbar ist.

30. Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29s gekennzeichnet durch einen Speisekasten (9)* der zwischen der Vorheizeinrichtung (6) und der Verdichtungseinrichtung (10) angeordnet ist, wobei die Mischeinrichtung (l8) mindestens teilvreise innerhalb des Speisekastens angeordnet ist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, "daß der Vibrationsantrieb (19, 20) außerhalb des Speisekastens (9) angeordent und mit dem Behälter (l8) durch ein Teil (20) verbunden ist; welcher die Vibrationsenergie auf den Behälter überträgt.

3 2. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis-3.1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhreinrichtung einen vibrierenden Zuführtrichter (j5) und eine vibrierende Rutsche (4) aufweist; daß die Vorheizeinrichtung ein rotierendes Rohr (5), durch das sich die Me tall teilchen (2) bewegen, und Heizmittel aufweist, die um das Rohr herum angeordnet sind und mit denen das Rohr und die darin befindlichen Metallteilchen aufheizbar sind; und daß die Komprimiereinrichtung mindestens ein Paar von horizontal angeordneten Walzen (10) aufweist, mit denen ein streifenförmiger Gegenstand erzeugbar ist. ' ■ .

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33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 32, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (G), mit der die Metallteilchen (2) und das Gemisch der Metallteilchen und des Pulvers (17) unter einer kontrollierten Gasatmosphäre gehalten sind.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die kontrollierte Gasatmosphäre eine reduzierende Atmosphäre aufweist.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Walzen (10) aufheizbar sind.

36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche' 30 bis 35» dadurch gekennzeichnet, daß der Speisekasten (9) gasdicht an das drehbare Rohr (5) und das drehbare Rohr (5) gasdicht an die Zufuhr- : einrichtung (3) angeschlossen sind. _;

37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 36, gekennzeichnet durch eine Verteileinrichtung (13), 4ie innerhalb des Speise-* kasten» (9) angeordnet ist und die Bfetallteilchen (2) gleichmäßig Über den Walzeneingriff verteilt. " · ■

38. Vorrichtung nach Anspruch 37 j» dadurch gekennzeichnet, daß die Verteiitinrichtunfc eine Leitfläche (13) aufweist.

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