DE2835033A1

DE2835033A1 - Verfahren zur herstellung eines leichtmetall-sinterkoerpers

Info

Publication number: DE2835033A1
Application number: DE19782835033
Authority: DE
Inventors: Kenji Matsuzawa; Toru Morimoto; Toshio Ohkawa; Tsuyoshi Ohsaki
Original assignee: Nippon Dia Clevite Co Ltd
Current assignee: Nippon Dia Clevite Co Ltd
Priority date: 1977-09-07
Filing date: 1978-08-10
Publication date: 1979-03-15
Also published as: US4283465A; JPS5440209A; GB2003933A; JPS5611375B2; GB2003933B; CA1115560A

Description

f\ O O C Π O

DlPL-PHYS. KARL H. OLBRICHT ^r₃/ofhce.amweinberoκ 08.08.1978

PATENTANWALT D-3551 NIEDERWEIMAR/HESSEN

STAATL QEPR. ÜBERSETZER I₄. _{TELEFON: (0M21) 78627}

TELEQRAMME: PATAID MAR3UR0

PH 286 Ot/Gr

Nippon Dia Clevite Co., Ltd., Narashino-shi (Chiba-ken, Japan)

Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetall-Sinterkörpers

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetall-Sinterkörpers.

Poröse Sinterkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, im folgenden kurz als Leichtmetall bezeichnet, haben hervorragende Eigenschaften bezüglich mechanischer und klimatischer Beständigkeit, Festigkeit usw. Eine besonders vorteilhafte Anwendung ist die Schallfilterung, da höhere Tonfrequenzen, die z.B. bei Schnellstverkehrsmitteln wie Magnetschwebebahnen auftreten, von porösem Leichtmetall mit oder ohne Zusätze von Kupfer, Eisen u.dgl. gut absorbiert werden.

Bei der Entwicklung von Schnellbahnen hat sich gezeigt, daß nicht nur hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen erzielt werden müssen, sondern daß auch das bei hohen Geschwindigkeiten erzeugte Geräusch bekämpft werden muß. Dazu wird der Schall bevorzugt abgefangen, etwa mittels Lärmschutzwänden,

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die ihn zurückwerfen und/oder absorbieren. Im Rahmen solcher Gegenmaßnahmen zieht man Schallschluck-Werkstoffe in Betracht, die jedoch außer ihrer Absorptionsfähigkeit besondere mechanisch-thermische Eigenschaftskombinationen haben müssen. Bislang ist kein Material bekanntgeworden, das den gestellten hohen Anforderungen genügen würde.

Herkömmliches Schalldämpfungsmaterial besteht nämlich vielfach aus Glas- oder Mineralfasern u.dgl. Es ist daher nicht nur gegen Witterungseinflüsse wenig beständig, sondern auch mechanisch nicht fest genug. Die Verwendung am Fahrzeug ist mit der Schwierigkeit verbunden, daß bei dessen Fahrt Stöße und Schwingungen auftreten, denen das Material nicht gewachsen ist. Man kann deshalb eine Schalldämmung der Geräuschquelle selbst kaum vornehmen, zumal der Absorptionskörper bei äußeren Einwirkungen wie Rütteln, Stoßen, Vibrieren usw. leicht zu Bruch geht.

Gewisse Sinterkörper aus Kupferlegierungen besitzen zwar grundsätzlich geeignete Eigenschaften, weisen aber Zickzackkanäle auf, in denen die Schallenergie des Geräuschs in Wärme verwandelt werden soll. Ein derartiger Aufbau ist sehr aufwendig und führt wegen des hohen spezifischen Gewichts von Kupfer zu einem großen Gesamtgewicht. Die praktische Verwendung herkömmlicher Werkstoffe unterliegt daher starken Einschränkungen.

Man hat auch bereits poröse Sinterkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt, die als Träger für Imprägnieröl dienen und daher als selbstschmierende Lager verwendet werden, wie das z.B. in der japanischen Patentveröffentlichung 24206/70 angegeben ist. Allerdings ist die Porosität solcher Körper niedrig; sie beträgt beispielsweise 20 %. Das ist auf eine Herstellungsschwierigkeit zurückzuführen, weil Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Teilchen sich - verglichen mit anderen Elementen - besonders leicht

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oberflächlich oxidieren, wobei eine sehr harte Oberflächenschicht entsteht, welche das Versintern blockiert. Man zerstörte nun nach herkömmlichem Verfahren diese Oxidschicht durch Anitfendung hoher Drücke, um die Diffusionsfähigkeit der Teilchen beim Sintern zu steigern. Gemische aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einem Pulver aus einer eutektischen Aluminium-Kupfer-Legierung formte man z.B. unter

einem Druck von 10 kN/cm und sinterte dann bei einer Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt und dem eutektischen der Legierung(en). Auf diese Art wurde das Oxid auf dem Metall- bzw. Legierungskorn vor dem Sintern durch mechanische Krafteinwirkung teilweise aufgebrochen, doch wurde die Porenbildung verringert; selbst wenn beim Sintern eine Diffusion zwischen den Körnern bewirkt wurde, erreichte man kaum eine Porosität von 20 %.

Es ist ein wichtiges Ziel der Erfindung, diese und weitere Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung von Leichtmetall-Sinterkörpern zu schaffen, die nicht allein leichtgewichtig sind, sondern in ihren mechanisch-klimatischen Eigenschaften und vor allem bezüglich Schallabsorption den herkömmlichen porösen Kupferlegierungen wenigstens gleichkommen, sie nach Möglichkeit aber übertreffen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß ein pulvriges oder körniges Grundmaterial aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einem pulvrigen oder körnigen Aluminiumlegierungs-Zusatzwerkstoff vermischt wird, dessen Schmelzpunkt um wenigstens 10 grd niedrigereliegt als derjeniges des Grundmaterials, daß das Gemisch im wesentlichen ohne Druck zu der vorbestimmten Gestalt geformt wird und daß der Formkörper bei einer Temperatur gesintert wird, die um wenigstens 10 grd unterhalb des Schmelzpunkts des Grundmaterials, aber oberhalb des Schmelzpunkts des Zusatzwerkstoffes liegt.

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Man erzielt auf diese Weise poröse Korper von hoher mechanischer Festigkeit. Zwischen den pulvrigen oder körnigen Bestandteilen der Ausgaiigswerkstoffe wird dank der erfindungsgemäß en VerfaJlirensführung eine intensive Diffusion "bewirkt, so daß die Teilchen gut zusammensintern. Zunächst wird das verhältnismäßig grobkörnige Grundmaterial und der "bevorzugt feinkörnigere Zusatzwerkstoff miteinander vermischt; "beide Stoffe enthalten Aluminium und Kupfer oder andere Legierungselemente. Bevorzugt hat der Zusatzwerkstoff einen Schmelzpunkt, der wenigstens 20 grd niedriger liegt als derjenige des Grundmaterials. Bas Gemisch wird anschließend zu der vorgesehenen Gestalt geformt, und zwar im wesentlichen drucklos. Zwar ist die Anwendung eines gewissen Mindestdruckes unvermeidlich, um die Form des Sinterkörpers herauszubilden; weil dieser jedoch porös sein soll, wird der angewandte Druck erfindungsgemäß auf ein absolutes Minimum herabgesetzt, z.B. auf höchstens 8 müi/cm , um die Porosität des Formkörpers möglichst groß zu halten. Man kann das Pulvergemisch auch in einen hitzebeständigen Behälter packen, etwa durch Einsaugen, und es so vorsintem.

Die Erfindung vermeidet hierdurch die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik auf verblüffend einfache und überaus wirksame Weise. Der Sintervorgang findet nahezu drucklos in einer Art flüssiger Phase mit gleichmäßiger Verteilung des Zusatzwerkstoffs rund um das Grundmaterial statt, indem der Zusatzwerkstoff um das noch nicht geschmolzene Grundmaterial herum erweicht wird, wodurch die Diffusion zwischen den Körnern stark gefördert und ein Sinterkörper von hoher Porosität gebildet wird. Dies kann noch unterstützt werden durch Verwendung einer inerten oder nichtoxidierenden Atmosphäre.

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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß ein AlCu-Legierungspulver mit einem Gewichtsanteil von 3 % Cu als Grundmaterial mit einem AlCu-Legierungspulver mit einem Gewichtsanteil von 50 % Cu als Zusatzwerkstoff verwendet v/ird und daß das geformte Gemisch bei einer Temperatur von 590 bis 640 ⁰C gesintert wird. Während der Schmelzpunkt des Grundmaterials 650 ⁰C oder mehr beträgt, liegt der Erweichungspunkt des Zusatzwerkstoffes bei etwa 585 ⁰C

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine AlSi-Legierung mit einem Gewichtsanteil von höchstens 1 % Si als Grundmaterial, das mit einem Zusatzwerkstoffpulver aus einer eutektischen AlSi-Legierung mit einem Gewichtsanteil von 11 % Si vermischt wird, worauf die Sinterung bei etwa 570 bis 580 ⁰C erfolgt, d.h. beträchtlich unterhalb des Schmelzpunkts des Grundmaterials, der etwa 650 ⁰C beträgt.

Noch eine andere Weiterbildung der Erfindung richtet sich auf eine AlMg-Legierung mit einem Gewichtsanteil von etwa 8 % Mg, dem als Zusatzwerkstoff ein Pulver aus einer niedrigschmelzenden AlMg-Legierung mit einem Gewichtsanteil von 20 % Mg zugeschlagen wird, worauf die Sinterung bei oder oberhalb 550 ⁰C erfolgt, jedoch unterhalb 630 ⁰C, d.h. unterhalb des Schmelzpunkts des Grundmaterials.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der schematisierten Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Kornverteilung der Gemischteilchen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 2 eine Korndarstellung eines Grundmaterials und

Fig. 3 eine Korndarstellung des veränderten Zustandes einer Oberflächenoxidschicht auf dem Grundmaterial von Fig. 2.

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Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß nach der Vermischung eines vorzugsweise etwas grobkörnigeren Grundmaterials 1 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einem etwas feinkörnigeren Zusatzwerkstoff 2 aus einem Aluminium-Legierungspulver letzteres zwischen den Körnern des höherschmelzenden Grundmaterials 1 liegt. Da der niedrigerschmelzende Zusatzwerkstoff 2 auch feinkörniger ist, umgibt er das Grundmaterial 1. Wird nun das Gemisch in diesem Zustand erwärmt, so bildet sich zwar auf der Oberfläche des Grundmaterials 1 aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung eine verhältnismäßig harte Oxidschicht 3 (Fig. 2), doch reißt diese infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnung beim Sintern auf. Im Inneren des (stärker metallischen) Gi'undmaterials 1 ist die Wärmedehnung nämlich größer als in der Oxidschicht 3, so daß in dieser Risse 4 entstehen, die das Innere des Grundmaterials 1 zum Teil freilegen (Fig. 3).

Eine Erklärung für dieses Aufplatzen der Oxidschicht 3, welche die Körner des Grundmaterials 1 umgibt, beruht auf der Tatsache, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient (die Wärmedehnzahl) von Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung, dem Grundmaterial 1, wesentlich größer ist als derjenige der aus Al₂O, bestehenden Oxidschicht 3, und zwar etwa viermal so groß. Im allgemeinen ist die Oxidschicht 3 sehr dünn; ihre Dicke liegt in der Größenordnung von 10 nm. Die Erwärmung des Pulver- bzw. Korngemisches macht sich daher durch Rissebildung in der Oxidschicht 3 bemerkbar, sobald eine Übertemperatur von 50 grd auftritt; ab 150 ⁰C werden die Risse 4 in der Oxidschicht 3 breiter und länger, während gleichzeitig der Zusatzwerkstoff 2 zu erweichen beginnt.

Dies ist ein wichtiger Fortschritt gegenüber der herkömmlichen Technik, wo beim Sintern von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zwar Risse in der Oberflächen-Oxidschicht entstehen, aber das freigelegte Metall unmittelbar dem Sauerstoff der

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Umgebung ausgesetzt wird und dank der hohen Affinität von Aluminium zu Sauerstoff insbesondere bei höheren Temperaturen sofort oxidiert. Nach dem Stand der Technik werden mithin die Risse in der Oxidschicht umgehend aufoxidiert, wozu bereits eine sehr kleine Sauerstoff menge in der betreffenden Atmosphäre genügt. Ist darin beispielsweise ein Sauerstoff-Partialdruck von etwa 60 mW/cm vorhanden, so geht schon die Oxidation vor sich und eine Bildung metallischer Risse läßt sich nicht feststellen.

Demgegenüber wird erfindungsgemäß auch die Reaktionsatmosphäre nichtoxidierend gehalten, insbesondere mit außerordentlich niedrigem Taupunkt, und in dieser Atmosphäre findet das Sintern statt. In der Oxidschicht 3 auf dem Grundmaterial 1 entstehen also bereits bei niedrigen Temperaturen Risse, wähiⁿend zugleich die Erweichung des Zusatzwerkstoffes 2 einsetzt, der die Körner des Grundmaterials 1 nach Art einer Flüssigkeit umschließt und als Bindemittel wirkt. Die Sinterung erfolgt bei einer Temperatur, die unterhalb des Schmelzpunkts des Grundmaterials 1 liegt, so daß dieses noch nicht schmilzt bzw. geschmolzen ist. In den durch unterschiedliche Wärmedehnung entstehenden Rissen 4 tritt nichtoxidiertes Grundmaterial 1 zutage, an das sich die feineren Körner des erweichten bzw. schmelzenden Zusatzwerkstoffes 2 anlegen, wodurch der Diffusionsaustausch beträchtlich gefördert wird. Da sich erfindungsgemäß die Schmelz- bzw. Erweichungstemperaturen von Grundmaterial 1 und Zusatzwerkstoff 2 um wenigstens 10 grd, vorzugsweise um mindestens 20 grd unterscheiden, befindet sich der das Grundmaterial 1 umgebende Zusatzwerkstoff 2 während des Sintervorganges im flüssigen oder quasiflüssigen Zustand und trägt so erheblich zur Porenbildung bei, insbesondere an den durch die Risse 4 freigelegten Oberflächenteilen des Grundmaterials 1.

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Indem die Zusammensetzung sowohl des Grundmaterials 1 als auch des Zusatzwerkstoffes 2 gemäß der Erfindung in Bereichen gewählt ist, in denen Mischkristalle entstehen können, bildet sich bei dem Schmelz- und Diffusionsvorgang zwischen Grundmaterial 1 und Zusatzwerkstoff 2 während des Sinterns eine metallische qC~Kristallphase aus.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Wird als Grundmaterial 1 Aluminium mit zulässigen geringen Zusätzen genommen, so ist die Herabsetzung des Schmelzpunktes von dem Anteil an Beimengungen abhängig. Reines Aluminium hat seinen Schmelzpunkt bei etwa 660 ⁰C; durch Aufnahme von Zusätzen sinkt der Schmelzpunkt um etwa 10 grd auf rund 650 ⁰C. Nun sind erfindungsgemäß Legierungen wie AlCu, AlMg, AlSi usw. in pulvriger bzw. körniger Form als Zusatzwerkstoff 2 vorgesehen, die im flüssigen Zustand das Grundmaterial 1 gut benetzen und damit^-Mischkristalle bilden. Solche Zusatzwerkstoffe, deren Schmelzpunkt bei 580 ⁰C ±20 ⁰C liegt, werden ebenfalls in pulvriger bzw. körniger Form zugeschlagen.

Soll ein erfindungsgemäß hergestellter Sinterkörper als poröses Filter verwendet werden, so ist es erwünscht, wenn das Grundmaterial 1- runde (kugelige) Körner aufweist. Aluminium und Aluminiumlegierungen lassen sich jedoch kaum zu runden Korn pulvern, da die Körner im allgemeinen scharfe Spitzen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren schmelzen jedoch solche Spitzen ab, und infolgedessen ist das Grundmaterial Korn von geschmolzenem Zusatzwerkstoff 2 umschlossen, so daß es wenigstens genähert rund ist.

aufweisen

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Ferner ist bei der Mischung von Grundmaterial 1 und Zusatzv/erkstoff 2 ein Dispersant nicht notwendig. Es kann jedoch, v/enn erwünscht, ein Dispersant des Kohlenwasserstoff systems zugesetzt v/erden, ζ.Ξ. Kerosin (Steinöl), Xylol oder ein alkoholisches Dispersant.

Lei einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung bestand das Grundmaterial 1 aus einem Legierungspulver mit 1 ίό Magnesium, 0,1 % Silizium, 1 °,l Kupfer, 0,2 Mangan und im übrigen Aluminium. Einhundert Gewichtsteile des Grundmaterials mit einer durchschnittlichen Feinheit des 50-Maschen-Siebes (0,3 mm 0) wurden gemischt mit 25 Gewichtsteilen eines Legierungspulvers aus 20 α Magnesium und 80 % Aluminium mit einer durchschnittlichen Feinheit des 80-Maschen-Siebes (0,18 mm 0).

Das Pulvergemisch wurde in einen Keramikbehälter eingesetzt, auf eine Temperatur von etwa 600 bis 620 ⁰C gebracht und in einer reinen Wasserstoffatmosphäre (Taupunkt: -50 ⁰C) gesintert, insbesondere bei strömendem Wasserstoff. Der Schmelzpunkt des Grundmaterials 1 lag bei 653 ⁰C, derjenige des Zusatzwerkstoffes 2 bei 570 ⁰C.

Der erhaltene poröse Sinterkörper hatte eine Zugfestigkeit von 32 N/cm und eine Porosität von 45 ?c, wobei die Poren durchgängig in Verbindung standen. Das Schallschluckvermögen betrug xvenigstens 80 % für Töne oberhalb von 500 Hz, insbesondere im Bereich von 1000 bis 1500 Hz.

Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich speziellen Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.

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Claims

DIPL-PHYS. KARL H. OLBRICHT tord/ofrce.amweinberqis 08.08.1978 PATENTANWALT £»-3551 NIEDERWEIMAR/HESSEN STAATL. QEPR. ÜBERSETZER ^^ ^. ^ TELEQRAMME: PATAID MARBURQ PH 286 Ot/Gr Nippon Dia Clevite Co., Ltd., iJarashino-shi (Chita-ken, Japan) Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetall-Sinterkörpers Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetall-Sinterkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß ein pulvriges oder körniges Material aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einem pulvrigen oder körnigen Aluminiumlegierungs-Zusatzwerkstoff vermischt wird, dessen Schmelzpunkt um wenigstens 10 grd niedriger liegt als derjenige des Grundmaterials, daiB das Gemisch im wesentlichen ohne Druck zu der vorbestimmten Gestalt geformt wird und daß der Formkörper bei einer Temperatur gesintert wird, die um wenigstens 10 grd unterhalb des Schmelzpunkts des Grundmaterials, aber oberhalb des Schmelzpunkts des Zusatzwerkstoffes liegt,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein feinkörnigerer Zusatzwerkstoff mit einem grobkörnigerem Grundmaterial vermischt wird.

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ORIGINAL INSPECTED

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper in einer inerten oder nichtoxidierenden Atmosphäre gesintert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3_S dadurch gekennzeichnet, daß ein Grundmaterialpulver aus einer AlCu-Legierung mit 3 Gew.-?o Kupfer und ein Zusatzwerkstoffpulver aus einer AICu-Legierung mit 50 Gew.-Si Kupfer vermischt wird und daß der aus dem Gemisch geformte Körper bei einer Temperatur von 590 bis 640 ⁰C gesintert wird.

ο Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grundmaterialpulver aus einer AlSi-Legierung mit 1 Gew.-J« Silizium und ein Zusatzwerkstoffpulver aus einer eutektischen AlSi-Legierung mit 11 Gew.-C-i Silizium vermischt werden und daß der aus dem Gemisch geformte Körper bei einer Temperatur von 570 bis 580 ⁰C gesintert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennz e i ohne t, daß ein Grundmaterialpulver aus einer AlMg-Legierung mit 8 GeWo-% Magnesium und ein Zusatzwerkstoffpulver aus einer AlMg-Legierung mit 20 Gev7o-?j Magnesium vermischt werden und daß der aus dem Gemisch geformte Körper bei einer Temperatur von etwa 550 ⁰C gesintert wird.

7ο Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3_S dadurch gekennzeichnet, daß ein Grundmaterialpulver der Maschenfeinlieit 50 aus einer AlCuMgMnSi-Legierung mit je 1 Ge\"io-% Kupfer und Magnesitim, 0,2 Gew.-?-& Mangan sowie 0,1 Gew.-°a Silizium und im übrigen Aluminium und ein Zusatzwerkstoffpulver der Maschenfeinheit 80 aus einer AlMg-Legierung mit 80 Gewo-?i Aluminium und 20

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Ilagnesium vermischt werden und daß der aus dem Gemisch geformte Körper bei einer Temperatur von 600 bis 620 ⁰C in einer reinen Wasserstoffatmosphäre gesintert wird.

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