DE2423641A1

DE2423641A1 - Steifer verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE2423641A1
Application number: DE2423641A
Authority: DE
Inventors: Rene Meyer
Original assignee: Ugine Carbone
Current assignee: Ugine Carbone
Priority date: 1973-05-17
Filing date: 1974-05-15
Publication date: 1974-12-05
Also published as: FR2229777B1; CA1031891A; LU70073A1; GB1426112A; SE418935B; US3923946A; AT339622B; IT1014195B; CH586085A5; ATA401074A; BE815046A; JPS5053433A; NL7406704A; FR2229777A1

Description

"Steifer Verbundwerkstoff"

Die Erfindung betrifft einen neuen Verbundwerkstoff auf der Basis von Metallpulver und einem Kunststoff.

Es ist bereits bekannt, im Maschinenbau verwendbare Formteile, für die eine große Präzision der Form und der Abmessungen erforderlich ist, aus Metall-Polymer-Verbundwerkst of fen herzustellen. So werden Lagermaterialien aller Art aus gefüllten Kunststoffen hergestellt, bei denen der Anteil des Polymeren 60 bis 70 Vol.-% beträgt; dieses Material besitzt die Eigenschaften eines Kunststoffes, insbesondere eine geringe Hiirte.

Nach der US-PS 3 300 329 werden Metallteilchen mit Kunststoff umhüllt; ist der Anteil an polymerem Material groß, so v/er den hiervon Teile durch Formpressen hergestellt.

Es wird angegeben, da3 die für das Formpressen geeigneten

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Massen uraliülltem Teilchen 10 bis 80 Gew.-/6 Polymer enthalten. Bei geringem Anteil an Polymer eignen sich, diese umhüllten Teilchen nur zur Herstellung von Pigmenten. Die Beispiele bestätigten dies: So wird ein Gemisch verwendet, das 10 Gew.-/o Polymer auf 90 Gew.-% Kupferpulver entspricht, was einem Vol.-Anteil von 4-5 >ό Polymer auf 55 /» Kupfer entspricht. In einem anderen Beispiel wird ein Gemisch, enthaltend 42 Gew;-/6 Polymer auf- 58 Gew.-/» Aluminiumpulver verwendet, was einem Vol.-Anteil von 62 yo Polymer auf 58 V⁰ Aluminium entspricht.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verbundwerkstoffes aus Metall und Kunststoff, der für die Herstellung von im Maschinenbau verwendbaren Bauteilen geeignet ist, die eine große Genauigkeit oder Präzision der Form und der Abmessungen besitzen müssen, sowie ein einfaches Verfahren zur Herstellung der Präzisionsteile aus diesem Material.

Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff ist ein steifes agglomeriertes Material, das im wesentlichen ein inniges Gemisch aus Metallteilchen und Kunststoff ist mit einem Porenanteil von weniger als 5 %;dieser Verbundwerkstoff ist dadurch charakterisiert, daß das Volumen des Kunststoff-Bindemittels 5 bis 20 %₉ vorzugsweise 10 bis 15 /* cLes Gesamtvolumens ausmacht.

Die Metallphase besteht aus kompakten ,nicht porösen Teilchen von mindestens einem Metall, die eine gute mechanische Widerstandsfähigkeit und eine hohe Streckbarkeit vor dem Pressen besitzen.

Die hierfür verwendeten Metalle sind beispielsweise Eisen, be-

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sonders kohlenstoffarmer Stahl, Temperguß, Aluminium, Kupfer sowie deren Legierungen. Mit Hilfe derjenigen Metallxi/erkstoffe, die einen besonders hohen Abwalzgrad

zulassen, unter den Bedingungen der Herstellung der Bauteile

(beispielsweise Eisen, Kupfer), läßt sich eine höhere Härte erzielen.

Die Bindemittelphase besteht aus mindestens einem Polymeren mit guter mechanischer Festigkeit und guter Haftfähigkeit an den Teilchen der metallischen Phase.

Die erfindungsgemäß hergestellten Produkte besitzen ein kompaktes Gefüge aus Metallteilchen, die untereinander durch einen Kunststoffilm verbunden sind. Dieser feste Kunststoff füllt auch, fast vollständig, die Leerräume zwischen den Teilchen aus.

Dieses Gefüge zeichnet sich dadurch aus, daß es nur einen geringen Vol.-Anteil an Kunststoff-Bindemittel umfaßt; der kritische Bereich beträgt 5 bis 20 .% des Gesamtvolumens. Es wurde überraschenderweise festgestellt, daß die Kurven, die die Änderungen der Zugfestigkeit und der Biegefestigkeit von Werkstoffen auf der Basis von Metallpulver und Kunststoff-Bindemittel, die unter starkem Preßdrucl; kaltverf ormt und dann durch Erwärmen (Brennen) verfestigt worden sind, in Abhängigkeit vom Vol.-Anteil des Bindemittels wiedergeben, Maxima aufweisen bei Werten für den Vol.-Anteil Bindemittel, die innerhalb der oben angegebenen Grenzen liegen.

Es wurde weiterhin überraschenderweise festgestellt, daß für die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe das Verhältnis

von Brinell-Härte HB des Endproduktes und Streckgrenze in N/mm des Metalls der Teilchen wesentlich höher liegt als bei den

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gebräuchlichen gesinterten Metallen, insbesondere "bei den niederlegierten Stählen, wo dieses Verhältnis im Bereich von 0,3 liegt. Der erfindungsgemäße Werkstoff "besitzt somit eine "bemerkenswerte Härte im Verhältnis zu seiner Beständigkeit oder Festigkeit. Dies kommt "besonders dann zur Geltung, wenn die Herstellungsbedingungen eine starke Kalt-Umformbarkeit (ecroussage) des Ketallkorns bewirkt haben.

Diese Eigenschaften werden weiter unten in den Beispielen näher erläutert.

Infolge des hohen Vol.-Anteils an Iietall und der Kompaktheit des Produktes besitzt dieses eine merkliche elektrische und Wäraieleitfähi_o'keit und einen ziemlich, hohen Elastizitätsmodul.

Der erfindungsgemäße Werkstoff kann auch einen oder mehrere zusätzliche Füllstoffe enthalten, um besondere Eigenschaften entweder im Kern oder an der Oberfläche des Piaterials hervorzurufen; so wird beispielsweise mit einer harten Substanz der Reibungskoeffizient erhöht oder es werden mit einem festen oder flüssigen Schmier- oder Gleitmittel Gleiteigenschaften erzeugt oder es wird die Farbe durch Zusatz eines Pigmentes verändert.

Zur Herstellung des neuen Verbundwerkstoffes wurde ein einfaches Verfahren entwickelt, das ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist. Nach diesem Verfahren wird zunächst ein inniges Gemisch aus Heta11teilchen und Bindemittel in dem Volumverhältnis des Endproduktes hergestellt; dieses Gemisch wird bei Raumtemperatur in einer geschlossenen Preßform verdichtet unter einem Druck, der mindestens gleich

o el "^ **** ist dem doppelten Wert der Elastizitätsgrenze Streckgrenze

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(limite elastique) der He tallteilchen; anschließend wird entformt und der erhaltene formling auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um das Kunststoffbindemittel fließfähig zu machen und gegebenenfalls zu polymerisieren; abschließend läßt man abkühlen. -

Wird ein Kunststoffpulver verwendet, so sollen'dessen Teilchen vorzugsweise eine Korngröße unterhalb 50/um aufweisen, damit iia Gemisch eine gleichmäßige Verteilung dieser polymeren Phase um die Metallteilchen herum erreicht wird; die Netallteilchen sind allgemein grösserund können einen Durchmesser von 300 bis 500 /um erreichen. Es ist vorteilhaft, ein Kunststoff pulver zu verwenden, xveil die elektrostatische Anziehung zwischen den einzelnen feinen Teilchen des Gemisches eine gleichmäßige Verteilung begünstigt und die Trennung von Kunststoff und Metall während der Durchführung des Verfahrens verhindert.

-Wird ein Kunststoff in Lösung oder ein flüssiger Kunststoff verwendet, so werden die Metallteilchen hiermit durch Heiß-Verlsneten unter Verdampfung des Lösungsmittels umhüllt. Das Kunststoffbindemittel wird nach entsprechenden Vorversuchen in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Metallpulvers und der angestrebten mechanischen Eigenschaften ausgewählt. Vorzugsweise v/erden wärmehärtbare Harze (Lpoxy-, Phenol-, Polyester- und Polyimidharze usw.) eingesetzt und zwar in teilweise polynerisiertem Stadium; beim Erxväraien -werden diese Vor- oder Teilpolymerisate dann zunächst fließfähig und härten schließlich endgültig aus.

Die Korngrößenverteilung und die ϊοπα der Teilchen des Gemisches müssen so beschaffen sein, daß die Verdichtbarkeit oder Kompressibilität (wiedergegeben als- . Dichte des

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Preßformlings nach Anwendung eines bestimmten !Druckes) so groß wie möglich ist, damit ein kompakter Werkstoff erhalten wird.

Die Sauberkeit der Metallteilchen, Abwesenheit von oxidierten Stellen und eine gewisse Oberflächenrauheit begünstigen die Ausbildung der Bindung zwisehen Metall und Kunststoff in dem Endprodukt.

Der gewichtsmäßige Anteil Kunststoffbindemittel im Ausgangsgemisch entspricht einem Vol.-Anteil von 5 t>is 20 '/o im Endprodukt; er beträgt beispielsweise 0,8 bis 3₅ö Gew.-',-Ό für ein Gemisch aus Eisenpulver (Dichte des Eisens 7i8g/cia^) und einem Kunstharz mit Dichte 1,2; bei einem Gemisch aus Aluminiumpulver (Dichte des Aluminiums 2,7) und einem Kunstharz mit Dichte 1,2 beträgt der Gewichtsanteil Kunstharz 2,2 bis 10 %.

Die Verdichtung erfolgt mit Hilfe der in der Pulvermetallurgie üblichen Pressen und Werkzeuge. Der Druck soll" mindestens das 2fache der Elastizitätsgrenze (Streckgrenze) des metallischen Werkstoffes betragen und liegt in der Praxis bei 100 K/mm² bis 800 und sogar 1 000 Newton K/mm² . Druckerhöhung bewirkt bei sonst gleichbleibenden Bedingungen eine Zunahme der Härte und der Festigkeit. Dies ist zurückzuführen auf die Zunahme der Dichte des Preßformlings und auf die intensivere Kalt-Umforcibarkeit des lietallkorns. Ua die Verdichtung und anschließend den Auswurf des Preßformlings zu erleichtern, werden Stempel (Durchschlag) und Wände der Preßform mit einem Gleitmittel behandelt. Es kann dem Pulvergemisch, welches verformt werden soll, auch ein geringer Anteil (einige 10tel Prozent) eines feinteiligen festen Gleitmittels oder aber ein sehr flüchtiges Gleitmittel augesetzt werden, welches zu Be-

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ginn des Erwärmens durch die offenen Poren des Preßformlings entweicht.

Die entformten Teile werden dann in einem Ofen an der Luft erhitzt während einer Zeitspanne sowie auf einer Temperatur, bei welcher die Kunststoffρhase schmilzt (thermoplastisches Bindemittel) bzw.- polymerisiert (wärmehärtbares Bindemittel). Meistens beträgt die Zeitdauer 30 Minuten bis zu 1 Stunde bei einer Temperatur von 150 bis 25Ü°G für die gebräuchlichen Kunststoffe. Im Inneren oder Kern des Preßformlings verflüssigt sich das Polymer, bildet einen Film zwischen den einzelnen Metallteilchen und füllt den überwiegenden Teil der Kapillar-Leerräume aus, ohne daß der Kunststoff an die Oberfläche ausschwitzt, da er nur in geringer Menge vorhanden ist.

Nach den Abkühlen sind die Formstücke steif und besitzen genau die Form und die Abmessungen des Formlings vor dem Erhitzen. Dieses Verfahren eignet sich ganz besonders zur iiassenherstelluiio von kleinen Präzisionsteilen.

Die Eigenschaften des erriiidungsgemäßen Werkstoffes können im voraus innerhalb eines ziemlich breiten Bereiches bestimmt werden, indem unter Beachtung der oben angegebenen Grundideen Beschaffenheit und Mengenanteil der Komponenten des Gemisches, die Teilchenform und der Verdichtungsgrad variiert werden. Da auf nicht sehr hohe Temperaturen erhitzt wird, v/erden Deformationen und Schrumpfen sowie die Reaktionen zwischen der Metallphase und den gegebenenfalls vorhandenen Zusätzen und die Oxidation dec Metalls verhindert.

Das sehr einfache und wenig Kosten verursachende Verfahren

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läßt sich auf Metallpulver anwenden, die nicht zum Sintern geeignet sind.

Der erfindungsgemäße Werkstoff kann auch dadurch erhalten werden, daß man zunächst einen Preßrohling .aus Metallpulver herstellt, mit flüssigem Kunstharz tränkt und schließlich erhitzt. Dieses Verfahren ist jedoch weniger praktisch als das oben "beschriebene.

Der neue Werkstoff besitzt gegenüber den mit Metallpulver gefüllten Kunststoffen folgende Vorteile:

- Bessere mechanische Eigenschaften;

größere Härte, daher bessere Verschleißfestigkeit bei Reiben oder bei Rollen; niederer ¥ärniedehnungskoeffizieni^der demjenigen des Grundmetalles nahekommt;

- bessere thermische Leitfähigkeit; metallisches Aussehen;

- geringere Gestehungs- und Materialkosten.

Im Vergleich mit gesinterten Metallen besitzt der neue Werkstoff eine bessere Korrosionsfestigkeit, eine offene Porosität gleich Bull und einen hohen spezifischen elektrischen Leitungswiderstand/ der angepaßt werden kann, sowie eine bessere Genauigkeit der Abmessungen.

In den nachfolgenden Beispielen werden das Herstellungsverfahren und die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Werkstoffe näher erläutert.

Beispiel 1

Handelsübliches Eisenpulver, zerstäubt, geglüht, mit hoher

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Kompressibilität und einer Korngröße unterhalb 150/um (Marke Höganäs ASG 100-29) wurde 60 Minuten lang trocken mit unterschiedlichen Mengen Epoxyharzpulver mit Korngröße <C 50/Ui¹I (Scotchcast 265) vermischt; anschließend wurde überprüft und festgestellt,.daß der Kunststoff gleichmäßig verteilt war. Das Pulvergemisch wurde unter einem

ο
Druck von 800 N/mm in· schwimmenden Preßformen, deren Wände mit Stearinsäure als Gleitmittel behandelt worden

•5
waren, zu 60 χ 10 χ 5 mm großen Barren und flachen standardisierten Prüfkörpern für Zugversuche komprimiert. Die Restporosität der Preßformlinge betrug 4- %. Bei der Entnahme aus der Preßform wurde eine Entspannung von 0,25 % in den horizontalen Abmessungen festgestellt. Die Formlinge wurden 20 Minuten an der Luft auf 200°C erhitzt. An einer Reihe von identischen Formungen oder Teilen wurde festgestellt,- daß die horizontalen Abmessungen eine Streuung von höchstens 0,02 mm auf 60 mm'aufwiesen. Die Oberfläche der Formlinge war glatt; die Probestücke rosteten auch nicht, wenn sie mehrere Tage lang der umgebenden Luft ausgesetzt wurden.

Mit unterschiedlichen Gewichtsmengen Harz im Ausgangsgemisch wurden folgende Eigenschaften der Endprodukte erreicht.

TABELLE:

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Gemisch.

Endprodukte

Harz	VoI	5	Raum ge wicht	Härte HB	Zug- _ festig keit	spez. Schlag- Lei- zähig- tungs- keit wider stand	J/cm²	Biege festig keit	190
Gew.-%	0	5	u g/cnr		N/mm²	x). cm	^0,5	l\i/mm	■gemessen 170
O	2,	4	7,4	105	10 a 20	„io-⁴	0,8	20 a 40	gemessen 140 ~1 70
0,4	4,	2	7,3	100	60	0,02	0,9	120
0,7	6,	4	7,25	95	80	0,03	1	160
1	9,	5	7,2	90	95	0,03	1,4	190
1,5	13,		7,0	90	105	0,10	1,6	210
2,3	17,		6,75	85	110	0,8	220
3	21		6,5	80	100	nicht	gemessen 200
4	26	6,3	75	95	40	1,6
5	42 100	stark de	60	35	nicht
10 100		formierte Stücke 1,2	50 35	70 35	nicht 00

Die Tabelle zeigt deutlich einen optimalen Bereich für die Festigkeit und die Schlagzähigkeit bei einem Gewichtsanteil Kunstharz von etwas unterhalb bis etwas über 2 Gew.-/<? entsprechend 20 YoI.-% des Endproduktes. Wenn Produkte mit unterschiedlichem Kunststoffgehalt gleiche Eigenschaften aufweisen, so wird man den Werkstoff mit weniger Kunststoffgehalt herstellen, da dieser härter sein wird.

B e i s ρ ie I 2

Es wurde wie im Beispiel 1 ein handelsübliches Aluminiumpulver mit Korngröße unterhalb 15O/um während 60 Minuten trocken mit unterschiedlichen Mengen Epoxyharzpulver aus Beispiel 1 gemischt.

Das Gemisch wurde bei Raumtemperatur unter 150 und 3OO

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in einer schwimmenden Preßform, deren Wände mit Stearinsäure gleitend gemacht worden waren, zu Prüfkörpern für mechanische Versuche verdichtet. Die Eestporositat

Iac unterhalb 5 ^c/° nach dem Verdichten unter 150 N/mm

und unterhalt 2 Ά nach dem Verdichten unter 300 H/iam .

Die Prüfkörper wurden an der Luft 20 Minuten auf 200⁰C erhitzt.

In der folgenden Tabelle sind die erhaltenen Ergebnisse zusamiaengef aßt:

Harz	Vol.-,ο	Press	Raumge	Härte	Zugfestig	20	5
	O	druck	wi chi		keit	■ 23	44
Gew. ->'S	6,5	H/mm^	g/CHP	HB	N/mm	21	62
O	12,5	300	2,6	40	10	19	58
3	18	300	2,45	30	60	17	55
6	23,5	300	2,35	25	65	16	50
9	O	300	nach dem Värmehärten deformierte
1 2	6,5	300	Teile; Harz schwitzt aus
O	12,5	150	2,4
3	18	150	2,35
6	23,5	150	2,3
9 .	29	150	2,25
12	150	2,2
15	150	2,1

Auch diese Tabelle zeigt das Vorhandensein eines optimalen Bereiches für die Zusammensetzung des Endproduktes im Hinblick auf eine maximale mechanische Festigkeit; dieser optimale Be-

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reich, entspricht einem Eunststoffgehalt der Masse von 9 Gew.-% oder etwa 5 "bis 20 7ol.-%. Höherer Preßdruck führt zu günstigeren mechanischen Eigenschaften; aber in diesem Falle werden bei einem Kunststoffgehalt in der Masse von mehr als 6 Gew.~/o die Prüfkörper anschließend beim Erhitzen durch ausschwitzendes Kunstharz deformiert. In diesem Falle muß der Kunstharzgehalt auf 6 Gew.-/», bezogen auf die Gesamtmasse, beschränkt werden.

PATENIÄITSPJRÜCHE:

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Claims

Pate ntansprüche

1, Steifer Verbundwerkstoff bestehend im wesentlichen aus Metallteilchen und Kunststoff mit einer Porosität von max. 5$ dadurch gekennzeichnet , daß Kunststoff in einer Menge von 5 bis 20$, vorzugsweise 10 bis 15 Vol.-% enthalten ist.
2. Werkstoff nach Anspruch 1, bei dem das Metall Eisen, Aluminium, Kupfer sowie deren Legierungen ist.
3. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei wel chem der Kunststoff ein wärmehärtbares Harz ist.
4. Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffes nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man ein inniges Gemisch aus duktüen Metallteilchen und Kunstharz entsprechend einem Volumenanteil von 5 bis 20$ des Endproduktes in einer geschlossenen Preßform unter einem Druck verdichtet, der mindestens das Zweifache der Elastizitätsgrenze de3 Metalles beträgt und nach dem Entformen den Rohling erwärmt, um den Kun-'tstoff auszuschmelzen bzw. zu polymerisieren«
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η -

zeichnet, 1.000 U/mm² preßt.

daß man unter einem Druck von 100 bis
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch

gekennzeichnet , daß man das Bindemittel als Pulver oder flüssig in das.Gemisch einbringt.

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