DE3604861A1 - Verfahren zur pulvermetallurgischen herstellung von feindispersen legierungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von feindispersen Legierungen mit einer höher schmelzenden und einer niedriger schmelzenden Komponente, welche zusammen ein monotektisches System bilden, wobei die niedriger schmelzende Komponente den dispersen Bestandteil darstellt, sowie Verwendung solcher Legierungen zur Herstellung von Lagern, insbesondere Gleitlagern, elektrischen Kontakten oder Elektroden.

Die Herstellung von feindispersen Legierungen aus Komponenten, welche im schmelzflüssigen Zustand eine Mischungslücke aufweisen, d. h. monotektische Systeme, gilt als äußerst schwierig. Versucht man zu ihrer Herstellung die Schmelzen bis zu Temperaturen zu überhitzen, welche oberhalb der Mischungslücke liegen, so kann selbst nach einer raschen Erstarrung eine Entmischung oft nicht verhindert werden. Die meist großen Unterschiede in der Dichte der Komponenten fördern die Entmischung der Schmelzen zusätzlich. Es wurde daher schon versucht, derartige Legierungen unter Schwerelosigkeit, etwa im Weltraum, herzustellen; aber auch hier waren die Resultate bisher noch völlig unbefriedigend.

Auch bei der pulvermetallurgischen Methode zeigt es sich, daß in den meisten Fällen ein mechanisch fester Verbund nur durch Sintern bei Temperaturen möglich ist, die so weit über dem Schmelzpunkt der niedriger schmelzenden Komponente liegen, daß diese zu sehr groben Ausscheidungen koaguliert oder ausgeschwitzt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das die pulvermetallurgische Herstellung von feindispersen Legierungen aus Komponenten ermöglicht, welche im schmelzflüssigen Zustand eine Mischungslücke aufweisen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus Pulvermischungen der Komponenten Preßlinge hergestellt und bei Temperaturen zwischen den Schmelzpunkten der niedriger und höher schmelzenden, das monotektische System bildenden Komponenten unter allseitigem Druck verdichtet werden. Patentansprüche 2 bis 9 betreffen vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Patentanspruch 10 hat die Verwendung solcher Legierungen zur Herstellung von Lagern, insbesondere Gleitlagern, elektrischen Kontakten oder Elektroden zum Gegenstand.

Durch das Aufbringen des allseitigen hohen Drucks auf Pulver- Preßlinge, insbesondere durch heißisostatisches Pressen, bei Temperaturen, welche weit über der Schmelztemperatur der niedriger schmelzenden Legierungskomponente liegen können, kann sowohl das Koagulieren als auch das Ausschwitzen der flüssigen Phase verhindert werden und es resultiert eine feinverteilte Dispersion von globularen Teilchen, deren Größe der Korngröße der eingesetzten Pulverteilchen entspricht. Durch den hohen, allseitigen Druck im Bereich von kbar kommt es zu einer dichten Matrix, welche das Austreten oder Koagulieren der niedriger schmelzenden Phase verhindert und zu einem mechanisch festen Verbund zusammensintert.

Vor dem heißisostatischen Pressen werden die Pulverpreßlinge zur Übertragung des Gasdruckes auf die noch porösen Preßlinge eingemantelt. Hierfür kann die Legierungskomponente mit dem höherliegenden Schmelzpunkt verwendet werden. Aber auch Metalle und Gläser mit entsprechend geeigneten Erweichungs- und Schmelzpunkten sind ebenfalls einsetzbar. Die Verdichtung wird vorzugsweise unter einem Druck von 0,5 bis 5 kbar durchgeführt. Die Preßlinge können z. B. auf Temperaturen erhitzt werden, die 50 bis 550°C über dem Schmelzpunkt der niedriger schmelzenden Komponente liegen. Diese sollten jedoch vorzugsweise mindestens 10% weniger sein als der Schmelzpunkt der höher schmelzenden Legierungskomponente. Vorzugsweise liegt die Temperatur 10 bis 60% niedriger als der Schmelzpunkt der höherschmelzenden Komponente.

Die so verdichteten Preßlinge werden vorzugsweise etwa 10 bis 300 Minuten bei den angewandten Drucken und Temperaturen belassen.

Nach dem Entmanteln werden dichte Formkörper mit einer guten Festigkeit erhalten, die sich gut Walzen oder Strangpressen lassen. Im Gefüge zeigt sich eine gleichmäßig verteilte Dispersion von globularen Teilchen in einer Metallmatrix. Die Größe dieser globularen Teilchen entsprechen im wesentlichen der der eingesetzten Pulverteilchen.

Erfindungsgemäß können die verdichteten Körper anschließend meist ohne Anwendung von Hitze nachverdichtet werden, z. B. durch Extrudieren, Rundhämmern oder Walzen. Hierbei verformen sich die feindispersen globularen Teilchen zu fast fadenförmigen Partikeln. Dabei wird die im Grenzbereich zwischen Teilchen und Matrix eventuell vorhandene Oxidhaut oder dergleichen zerstört, wobei eine wesentliche Zunahme der Festigkeit und Duktilität beobachtet wird. Bei einem System aus z. B. Aluminiummatrix und Blei als disperse Phase tritt durch Verformung eine Streckung der Bleiteilchen auf. Es zeigt sich, daß nach einem genügend hohen Umformungsgrad die fadenförmigen Bleiteilchen sich nach einer Wärmebehandlung bei etwa 350°C zu einer Vielzahl von feinen Teilchen globularisieren lassen, deren Durchmesser viel kleiner ist als der der eingesetzten Bleipulver.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich vorteilhaft auf alle binäre Legierungssysteme anwenden, die im flüssigen Zustand eine Mischungslücke aufweisen, d. h., monotektische Systeme, z. B. Ag/Cr, Ag/Mn, Ag/Ni, Ag/Rh, Ag/S, Ag/Se, Ag/Te, Ag/U, Ag/W, Al/Bi, Al/Cd, Al/In, Al/K, Al/Na, Al/Pb, Al/S, Al/Tl, As/Tl, Au/Rh, Be/Ga, Be/In, Be/Sn, Bi/Co, Bi/Cr, Bi/Fe, Bi/Ga, Bi/Mn, Bi/Si, Bi/U, Ca/Cd, Ca/La, Cb/Ce, Cb/Y, Cd/Ga, Cd/K, Ce/Mn, Ce/U, Co/Pb, Co/Se, Cr/Cu, Cr/Gd, Cr/La, Cr/Pb, Cr/S, Cr/Sn, Cu/Pb, Cu/S, Cu/Se, Cu/Te, Cu/Tl, Cu/U, Cu/W, Er/V, Fe/Pb, Fe/S, Fe/Sn, Ga/Hg, Ga/K, Ga/Pb, Ga/Tl, In/S, K/Pb, K/Zn, La/Mn, La/Pu, La/V, Li/Na, Mg/Na, Mg/Pu, Mg/U, Mn/Pb, Mn/Tl, Mn/S, Na/Zn, Ni/Pb, Ni/Tl, Pb/Si, Pb/U, Pb/Zn, P/Pt, P/Tl, P/Sn, S/Sb, S/Sn, S/Tl, Se/Sn, Se/Sb, Se/Tl, Th/U, Zn/U, V/Y. Vorzugsweise werden jedoch Legierungen aus Aluminium oder Kupfer mit 15 bis 55 Gew.-% Blei und Legierungen des Zinks mit 5 bis 45 Gew.-% Blei hergestellt, die sich insbesondere zur Herstellung von Gleitlagern eignen. Feindisperse Legierungen dieser Art mit einem hohen Anteil an gleichmäßig in einer Metallmatrix, z. B. aus Aluminium, eingelagerten Teilchen, z. B. aus Blei, konnten bisher nicht hergestellt werden. Sie sind zudem wirtschaftlicher als die bisher eingesetzten Aluminium/Zinn-Legierungen.

Zwischen Wolfram, Molybdän oder Rhodium einerseits und Kupfer oder Silber andererseits besteht ebenfalls eine Mischungslücke im schmelzflüssigen Zustand. Legierungen auf der Basis dieser hochschmelzenden Metalle mit Kupfer oder Silber werden daher oft durch Tränken eines porös gesinterten Skeletts mit flüssigem Kupfer oder Silber hergestellt. Dieses Verfahren ist jedoch nur begrenzt einsatzfähig und führt zu einem groben Gefüge. Für viele Anwendungen ist aber ein sehr feiner Gefügeaufbau erforderlich. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können z. B. Legierungen des Wolframs, Molybdäns oder Rhodiums mit etwa 15 bis 75 Gew.-% Kupfer oder Silber in Form einer gleichmäßig in der Wolfram-, Molybdän- oder Rhodiummatrix eingelagerten Dispersion hergestellt werden, die insbesondere als Materialien für elektrische Kontakte oder Elektroden geeignet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur auf binäre Legierungssysteme beschränkt. Die im schmelzflüssigen Zustand mischbaren Komponenten müssen jedoch eine Schmelztemperatur aufweisen, die nicht höher als der Schmelzpunkt der höherschmelzenden und monotektisches System bildenden Komponente ist.

In den nachfolgenden Beispielen wird das erfindungsgemäße Verfahren näher beschrieben.

Beispiel 1

Bleipulver (Schmelzpunkt 327°C) mit einem mittleren Durchmesser von 3 bis 25 µm werden einem Aluminiumpulver (Schmelzpunkt 660°C) gleichen Durchmessers in einer Menge von 15 bis 55 Gew.-% zugemischt. Die gut homogenisierte Pulvermischung wird kalt mit Drücken von 100 bis 300 MPa zu Preßlingen verdichtet. Die Preßlinge werden in Aluminium- oder Kupfer-Blechbehältern eingemantelt und evakuiert. Anschließend wird bei bis etwa 100 MPa ansteigendem Druck und einer Temperatur, die sich auf 450 und 600°C steigert, heißisostatisch gepreßt. Nach einer Haltezeit von etwa 30 Minuten wird dann unter Druck auf Temperaturen unter 300°C abgekühlt und der Behälter aus der Anlage entnommen.

Die verdichteten Formkörper werden in wenigen Walzstichen zu Blech verwalzt, das sich auf Stahlblech heiß aufwalzen läßt. Diese Legierung wird zu Gleitlagern weiterverarbeitet. Derartige Gleitlager mit einer Lauffläche aus einer erfindungsgemäß hergestellten feindispersen Aluminium/ Blei-Legierung mit einem Bleianteil bis zu etwa 55 Gew.-% zeigen überlegene Laufeigenschaften insbesondere in hochbelasteten Motoren, etwa in aufgeladenen Dieselmotoren.

Beispiel 2

Nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren werden Formkörper der Zusammensetzung von 60 Gew.-% Wolfram (Schmelzpunkt 3380°C) und 40 Gew.-% Kupfer (Schmelzpunkt 1083°C) unter Verwendung von Pulvern einer mittleren Größe von etwa 3 bis 5 µm und bei Temperaturen von 1150 bis 1300°C und unter einem allseitigen Druck von 100 bis 300 MPa hergestellt. Als Mantel wird Siliziumdioxid-Glas verwendet, welches bei den obigen Temperaturen plastisch verformbar ist und so den Gasdruck isostatisch auf den Pulverpreßling überträgt. Die daraus durch Kaltverformung erhaltenen Kontakte weisen überlegene Eigenschaften im Vergleich zu getränkten Werkstoffen gleicher Zusammensetzung auf.

Claims (10)

1. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von feindispersen Legierungen mit einer höher schmelzenden und einer niedriger schmelzenden Komponente, welche zusammen ein monotektisches System bilden, wobei die niedriger schmelzende Komponente den dispersen Bestandteil darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß aus Pulvermischungen der Komponenten Preßlinge hergestellt und bei Temperaturen zwischen den Schmelzpunkten der niedriger und höher schmelzenden, das monotektische System bildenden Komponenten unter allseitigem Druck verdichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßlinge durch heißisostatisches Pressen verdichtet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßlinge vor dem Verdichten mit einer gasdichten Kapsel aus der höherschmelzenden Komponente oder aus einem duktilen Metall umhüllt werden, dessen Schmelzpunkt im Bereich des Schmelzpunktes der höher schmelzenden Komponente liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßlinge vor dem Verdichten mit einer gasdichten Kapsel aus Glas umhüllt werden, deren Erweichungstemperatur unterhalb des Schmelzpunktes der höher schmelzenden Komponente liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßlinge unter einem Druck von 50 bis 500 MPa und bei einer Temperatur, welche vorzugsweise 50 bis 550°C über dem Schmelzpunkt der niedriger schmelzenden Komponente liegt, verdichtet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichteten Preßlinge 10 bis 300 Minuten bei dem angewandten Druck und der Temperatur gehalten werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichteten Preßlinge gegebenenfalls bei erhöhten Temperaturen umgeformt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die umgeformten Preßlinge bei höheren Temperaturen, vorzugsweise zwischen 150 bis 400°C, einer Wärmebehandlung unterworfen werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Pulvermischungen aus Aluminium oder Kupfer mit 15 bis 55 Gew.-% Blei, aus Zink mit 5 bis 45 Gew.-% Blei oder aus Wolfram, Molybdän oder Rhodium mit 15 bis 75 Gew.-% Kupfer oder Silber verwendet werden.

10. Verwendung der nach Ansprüchen 1 bis 9 hergestellten Legierungen zur Herstellung von Lagern, insbesondere Gleitlagern, elektrischen Kontakten oder Elektroden.