DE3817350A1

DE3817350A1 - Verfahren zur herstellung von spiralfoermigen teilen sowie verfahren zur herstellung einer aluminiumpulverschmiedelegierung

Info

Publication number: DE3817350A1
Application number: DE3817350A
Authority: DE
Inventors: Kiyoaki Akechi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1987-05-23
Filing date: 1988-05-20
Publication date: 1988-12-22
Also published as: US4838936A; DE3817350C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Aluminiumlegierungs teile, die durch schmieden von Aluminiumlegierungspulver gebildet werden, wie orbitalisierende bzw. umlaufende (orbiting) und feste Schneckenplatten bzw. Spiralplatten (scroll plates) mit Evolventen wicklungen und dgl., zur Verwendung in Kompressoren vom Schneckentyp sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Bisher wurde zur Herstellung von Spiralteilen, wie umlaufenden und festen Schneckenplatten mit Evolventen wicklungen und dgl., zur Verwendung in einem Kompressor vom Schneckentyp das Endbearbeitungsverfahren durch maschinelle Bearbeitung durchgeführt. Es wurden die folgenden Verfahren zur Herstellung von geformten Rohstücken vor der Endbearbeitung angewandt: ein Gießverfahren unter Verwendung von Gußeisen oder einer Gußaluminium legierung, ein Aluminiumlegierungs-Druckgußverfahren, ein Pulvermetallurgieverfahren unter Verwendung von gesinterten Eisenteilen, ein Kaltschmiedeverfahren unter Verwendung von Stahl und dgl.

Bei der Herstellung von Teilen, wie Verbindungsstäben oder dgl., zur Verwendung in einem Auto wurde ebenfalls ein Pulverschmiedeverfahren verwendet. Das Pulverschmiede verfahren wurde in der Praxis nicht für Aluminiumteile, jedoch für Eisenteile verwendet.

Die vorstehend genannten üblichen Herstellungsverfahren weisen die folgenden Nachteile auf. Das Gießverfahren unter Verwendung von Gußeisen besitzt den Nachteil, daß das verwendete Material schwer ist. Weiterhin ist die Genauigkeit des Gießens selbst so schlecht, daß eine maschinelle Bearbeitung teuer ist. Die erforderliche maschinelle Bearbeitungszeit ist so lange, daß die Kosten nicht verringert werden können. Wenn dünne Teile gegossen werden, können weiterhin Probleme, wie Gasblasen und dgl., entstehen.

Das Pulvermetallurgieverfahren von gesinterten Eisenteilen besitzt den Nachteil, daß das verwendete Material schwer ist und eine schlechte Luftdichtigkeit aufgrund der Porosität besitzt (in einer Größenordnung von etwa 10%, wenn das Verfahren zur Herstellung von gesinterten Eisenteilen verwendet wird). Weiterhin sind die Teile so dünn und spiralförmig, daß eine hohe Dimensions- bzw. Formgenauigkeit nicht erreicht wird. Demgemäß ist es schwierig, die Bearbeitungsmenge zu verringern. Weiterhin muß die maschinelle Bearbeitung der Teile intermittierend durchgeführt werden aufgrund der Gegenwart von Poren. Deshalb kann die maschinelle Bearbeitungs geschwindigkeit nicht erhöht werden.

Das Kaltschmiedeverfahren unter Verwendung von Stahl besitzt den Nachteil, daß das Schmieden wiederholt werden muß, um geschmiedete Teile mit ausgezeichneter Dimensionsgenauigkeit herzustellen, so daß die Kosten nicht verringert werden können.

Das Aluminiumlegierungs-Gießverfahren und das Druckguß verfahren besitzen den Nachteil, daß die verwendete Aluminiumlegierung auf Legierungszusammensetzungen mit guter Fluidität zum Verdünnen der Gußteile begrenzt ist. Dementsprechend wird der Wärmeausdehnungskoeffizient der Gußaluminiumlegierung relativ hoch, und der Young′sche Modul wird relativ niedrig, verglichen mit einer Eisen legierung. Weiterhin ist es schwierig, die Festigkeit und Abriebbeständigkeit auf einem vorbestimmten Wert zu halten. Wenn der Si-Gehalt der verwendeten Aluminium legierung hoch ist, kann die Legierung nicht mit großer Geschwindigkeit bearbeitet werden aufgrund der groben Si-Kristallkörner, obwohl es möglich sein kann, die Legierung zu gießen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Herstellung von spiralförmigen Teilen mit leichtem Gewicht, die leicht maschinell bei günstigen Kosten bearbeitet werden können und die eine ausgezeichnete Formgenauigkeit besitzen, so daß die mschinelle Bearbeitungszeit und Kosten verbessert werden können, zur Verfügung zu stellen.

Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer geschmiedeten Aluminium pulverlegierung bzw. Aluminiumpulverschmiedelegierung, die beim Schmieden nicht an der Werkzeug- bzw. Form- bzw. Gesenkwand haftet und damit geschweißt wird, zur Verfügung zu stellen.

Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Aluminiumlegierungsteile zur Verfügung zu stellen, die einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen und in ihren mechanischen Eigenschaften, wie dem Young′schen Modul und dgl., überlegen sind.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von spiralförmigen Teilen durch Schmieden von Aluminium legierungspulver zur Verfügung gestellt, bei dem eine Vorform aus Aluminiumlegierungspulver als grüner Preßling durch Komprimieren mit einer Gesenk- bzw. Werkzeug anordnung und isostatisches Kaltpressen gebildet wird und die Vorform warmgeschmiedet wird, worin das Aluminium legierungspulver eine feine und homogene Mikrostruktur besitzt.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Problem des Haftens oder Schweißens der Aluminium legierung in die Werkzeugwand während des Schmiedens durch ein Verfahren zur Herstellung einer geschmiedeten Aluminiumpulverlegierung gelöst, bei dem eine Vorform durch Verdichten und/oder Extrudieren eines gemischten Pulvers, enthaltend 1 bis 25 Vol.-% selbstschmierendes Pulver, in ein Aluminiumausgangsmaterialpulver gebildet wird, wobei das selbstschmierende Pulver wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe, bestehend aus Graphit, Bornitrid und Molybdändisulfid, enthält, wobei das Aluminiumausgangsmaterialpulver im wesentlichen aus Aluminiummetall- oder legierungspulver besteht, und die Vorform warmgeschmiedet wird.

Die Menge des Aluminiumausgangsmaterialpulvers kann entsprechend der herzustellenden Zusammensetzung einer Al-Legierung eingestellt werden. Das heißt, das Al-Legierungs pulver kann per se verwendet werden oder mit wenigstens einer Verbindung, gewählt aus der Elementgruppe, bestehend aus Cu, Mg und Si, oder wenigstens einer Verbindung, bestehend aus der Verbindungsgruppe der Oxide, Nitride, Boride und Carbide von Fe, Al, Mg, Ti, Zr, Si und dgl.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform werden Aluminiumlegierungsteile mit niedrigem Wärmeaus dehnungskoeffizienten und überlegenen mechanischen Eigenschaften, wie Young′scher Modul und dgl., erhalten durch Bildung von geschmiedeten spiralförmigen Aluminium legierungsteilchen mit niedrigem Wärmeausdehnungs koeffizienten erhalten durch maschinelle Bearbeitung eines Aluminiumausgangsmaterials, das hergestellt wird, indem feines Aluminiumlegierungspulver mit einem Teilchen durchmesser von nicht mehr als 350 µm, das wenigstens ein Element, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Silicium und Übergangselementen, wie Mn, Fe, Ni oder dgl., in einer Menge enthält, die bewirkt, daß der Wärmeausdehnungs koeffizient nicht größer als 21 × 10^-6/°C ist, komprimiert wird und der grüne Preßling warmextrudiert oder warmgeschmiedet wird und das extrudierte Material warmgeschmiedet wird.

Erfindungsgemäß ist das Aluminiumlegierungspulver ausgangsmaterial nicht schwer und kann leicht maschinell bearbeitet werden. Das Material braucht ebenfalls nicht auf Legierungszusammensetzungen mit ausgezeichneten Fluiditätseigenschaften begrenzt sein. Um jedoch ein Material herzustellen, das leicht maschinell bearbeitbar ist, muß das Aluminiumlegierungspulver eine feine und homogene Mikrostruktur besitzen. Die feine und homogene Mikrostruktur muß durch schnelle Verfestigung bei einer Abkühlungsrate von nicht weniger als 100°C/s oder unter Verwendung eines Pulvers mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 350 µm gebildet werden. Wenn die Legierung eine große Zahl von Elementen, wie Si, Fe und dgl., enthält, ist es bevorzugt, daß die Abkühlungsraten nicht geringer als 1000°C/s ist oder daß die Teilchengröße nicht größer als 150 µm ist. Das Pulver kann mit anderen Pulvern, wenn notwendig, gemischt werden.

Das Aluminiumlegierungspulver wird durch die Werkzeug anordnung oder kaltes isostatisches Pressen komprimiert. Bei Verwendung von Aluminiumpulver ist das Druckpressen (die pressing), das im allgemeinen in der Eisenpulvermetallurgie angewandt wird, ungeeignet, weil das Pulver leicht an den Werkzeugwänden haftet oder damit verschweißt. Schmiermittel, wie Wachs oder dgl., können dem Pulver zugegeben werden, und es muß ein Entwachsungsverfahren durchgeführt werden zur Verhinderung einer Haftung oder eines Verschweißens. Ein Entwachsungsverfahren durch Erwärmen ist jedoch bei Verwendung von Aluminiumpulver nicht leicht, und wenn das Entwachsen nicht vollständig ist, entstehen Blasen in den geschmiedeten Teilen. Demgemäß ist es besser, wenn das Pulver isostatisch komprimiert wird, ohne Verwendung von Schmiermitteln, wie Wachs, die entwachst werden müssen.

Wenn das Pulver durch kaltes isostatisches Pressen komprimiert wird, wird für große Teile, die ein Hartcarbidwalzen erfordern, eine Presse vom Naßtyp verwendet. Nach diesem Verfahren wird eine Kautschuk- bzw. Gummiform, die das Pulver enthält, in Wasser getaucht, und Druck wird auf das Wasser angewandt. Erfindungsgemäß ist es bezüglich der Herstellung und Handhabung vorteilhaft, daß eine kalte isostatische Presse vom Trockentyp bzw. Trocken beuteltyp (dry bag type) für relativ kleine Teile, wie spiralförmige Teile, verwendet wird. Eine Presse vom "Dry-Bag-Typ" ist eine Presse, worin die Gummiform, die das Pulver enthält und eine Doppelmembranstruktur besitzt, Druck von einer anderen Gummimembran ohne direkte Berührung mit Wasser erhält.

Es ist oft wünschenswert, daß der Aushärtdruck niedrig ist, wenn feines Pulver für Keramik oder Hartmetall verwendet wird. Wenn eine schnelle Verfestigung des Aluminium legierungspulvers durchgeführt wird, ist erfindungsgemäß jedoch die Teilchengröße groß. Demgemäß ist der Aushärtdruck nicht geringer als 1 t/cm², vorzugsweise 2 t/cm².

Die erhaltene Vorform wird warmgeschmiedet, um eine rauhe Form oder nahezu Netzform vor der Endbearbeitungsstufe zu erreichen. Wenn die Eigenschaften des Materials, wie die Zugfestigkeit, der Young′schen Modul und dgl., nicht die notwendigen Werte erreichen oder wenn die Dimensionsgenauigkeit weiter verbessert werden muß, kann das Warmschmiedeverfahren wiederholt werden. Besonders in dem Fall, wenn die zur Durchführung der maschinellen Bearbeitung oder eines anderen begleitenden Verfahrens erforderlichen Kosten stark verringert werden können, ist die Wiederholung des Warmschmiedeverfahrens wünschenswert.

Das letzte Warmschmiedeverfahren ist besonders als Formverfahren. Wenn Aluminiumlegierungspulver als Ausgangsmaterial verwendet wird, ist es besser, daß das letzte Verfahren durch eine Friktions- bzw. Reibpresse (Spindelpresse) bezüglich der Beziehung zwischen Beanspruchung und Geschwindigkeit und der Notwendigkeit zur Verbesserung der Herstellungswirksamkeit durchgeführt wird.

Ein Kaltschmieden kann nicht durchgeführt werden aufgrund der niedrigen Plastizität wegen der großen Menge der Legierungselemente. Wenn die Temperatur niedriger als 300°C ist, tritt eine Rißbildung auf aufgrund der Abwesenheit einer plastischen Dehnung bzw. Fluß. Wenn die Temperatur höher als 550°C ist, wird teilweise eine flüssige Phase hergestellt, so daß ein normal geschmiedetes Material nicht erhalten werden kann. Es ist deshalb bevorzugt, daß das Warmschmieden bei einer Temperatur im Bereich zwischen 350 und 500°C durchgeführt wird.

Bei dem Verfahren zur Verhinderung des Haftens oder Verschweißens zwischen der Aluminiumlegierung und dem Werkzeug wird ein Pulver aus selbstschmierenden Teilchen, wie Graphit, Bornitrid (BN) und Molybdändisulfid (MoS₂) in das Al-Ausgangsmaterialpulver gemischt, wodurch das Verkleben oder Verschweißen während des Schmiedens verhindert werden kann. Dadurch kann die Anzahl der Schmiedeverfahren in Abhängigkeit von der Form des geschmiedeten Materials verringert werden.

Auch in dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es jedoch bevorzugt, daß ein Schmiermittel, wie Graphit oder dgl., aufgebracht oder auf die Werkzeugwand und/oder das vorgeformte Material selbst während des Schmierens gesprüht wird, um eine Haftung oder Verschweißung zu verhindern.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte geschmiedete Al-Pulverlegierung besitzt eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Haftung oder Verschweißung oder Abrieb, weil das Pulver selbstschmierende Teilchen enthält.

Der Grund dafür, warum die Menge des Pulvers der selbst schmierenden Teilchen, die in das Al-Ausgangsmaterialpulver gemischt werden, bei 1 bis 25 Vol.-% liegt, ist folgender. Wenn die Menge geringer als 1 Vol.-% ist, tritt ein Haften oder Verschweißen in das Werkzeug auf. Wenn die Menge größer als 25 Vol.-% ist, treten lamellen artige Risse in der Legierung während des Schmiedens auf, und die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Al-Legierung verschlechtern sich. Weiterhin ist die Menge des Pulvers der selbstschmierenden Teilchen durch die Eigenschaften des geschmiedeten Materials begrenzt und hängt von der Form des Werkzeugs und den Schmiede bedingungen ab. Weiterhin tritt ein Anhaften oder Verschweißen in das Werkzeug leichter auf, wenn die Teilchengröße des Al- oder Al-Legierungspulvers abnimmt und sich der Si-Gehalt erhöht. Dementsprechend wird die Menge der selbstschmierenden Teilchen aus dem vorstehend genannten Bereich, bezogen auf die jeweiligen Verhältnisse, gewählt.

Es ist jedoch bevorzugt, daß die Menge der selbstschmierenden Teilchen bei 3 bis 10 Vol.-% liegt. In diesem Bereich kann eine Haftung oder ein Verschweißen in das Werkzeug auf wirksame Weise verhindert werden, ohne die mechanischen Eigenschaften der geschmiedeten Al-Pulver legierung zu beeinträchtigen. Die geschmiedete Al-Pulver legierung ist ebenfalls abriebbeständig und weist ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber einer Verklebung oder Verschweißung auf.

Es ist weiterhin bevorzugt, daß die Menge des Pulvers aus wenigstens einem Element, gewählt aus der Gruppe von Co, Mg und Si, bei 0,2 bis 10 Vol.-% der Gesamtmenge des gemischten Pulvers liegt. Es ist ebenfalls bevorzugt, daß die Menge des Pulvers aus wenigstens einer Verbindung, gewählt aus den Oxiden, Nitriden, Boriden und Carbiden von Elementen, wie Fe, Al, Ti, Zr, Si und dgl., bei 0,5 bis 10 Vol.-% der Gesamtmenge des gemischten Pulvers liegt. Wenn die Menge des Elements oder der Verbindung größer als 10 Vol.-% ist, treten Probleme bezüglich einer Haftung oder Verschweißung in das Werkzeug auf.

Weil spiralförmige Teile, hergestellt aus Aluminium legierungsteilen, die einen niedrigen Wärmeausdehnungs koeffizienten und ebenfalls überlegene mechanische Eigenschaften, wie Young′scher Modul und dgl., besitzen, mit anderen Teilen, die aus anderem Material, wie Gußeisen, hergestellt werden, kombiniert werden, wenn sie in einen Schneckenkompressor eingebaut werden, ist es bevorzugt, eine Aluminiumlegierung mit einem Wärmeaus dehnungskoeffizienten zu verwenden, der in der Nähe des Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gußeisen (12 × 10^-6/°C) liegt. Deshalb können Silicium oder ein Übergangsmetall, wie Mn, Fe, Ni und dgl., dem Pulver in einer Menge, die erforderlich ist, um den Wärmeausdehnungs koeffizienten so zu verringern, daß er nicht größer als 21 × 10^-6/°C, vorzugsweise nicht größer als 19 × 10^-6/°C, ist, zugegeben werden.

Wenn jedoch eine große Menge Silicium oder einem Übergangsmetall der geschmolzenen Legierung zur Herstellung einer Aluminiumlegierung mit einem niedrigen Wärme ausdehnungskoeffizienten zugegeben wird, werden Si-Kristallkörner (beispielsweise in einer gegossenen Al-Si-Legierung) oder Kristalle von metallischen Verbindungen, wie Al₃Fe, in ihrem festen Zustand vergrößert und gleichzeitig tritt eine Absonderung auf, so daß die Legierung nicht leicht maschinell bearbeitet werden kann. Um dieses Problem zu lösen, wird Aluminiumlegierungs pulver mit einer feinen Teilchengröße von nicht mehr als 350 µm verwendet. Um dieses feine Pulver zu erhalten, ist ein Verfahren zur Verfestigung von geschmolzenem Metall nach dem Zerstäuben geeignet. Das Ausgangsmaterial des Aluminiumlegierungspulvers mit einer homogenen und feinen Mikrostruktur, das so hergestellt wird, wird komprimiert (beispielsweise durch eine kalte isostatische Presse), üblicherweise in Form eines Extrusionsbolzens, oder einer Vorform zum Schmieden, und wird dann warmextrudiert oder warmgeschmiedet.

Bei warmem Extrusionsmaterial wird das erhaltene Material nach der Warmextrusion geschmiedet zur Herstellung eines geformten Rohlings für die spiralförmigen Aluminiumlegierungsteile. Der geformte Rohling wird durch maschinelle Bearbeitung in der Endherstellungsstufe genau bearbeitet, um einen Endgegenstand zu erhalten. Wenn notwendig, kann eine Wärmebehandlung gleichzeitig durchgeführt werden. Das erhaltene Material besitzt eine vollkommen feine und homogene Mikrostruktur und keine Blasen. Es ist deshalb in seiner Luchtdichtigkeit überlegen. Weiterhin weist das Material einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine hohe Festigkeit und einen hohen Young′schen Modul auf, und das Material kann leicht maschinell bearbeitet werden und leicht plastisch deformiert werden.

Durch Zugabe des Übergangsmetallelements zu dem Pulver in einer Menge, die erforderlich ist, um die Größe der kristallinen Körner zu unterdrücken und zu erreichen, daß die Niederschläge, die sich in dem gebildeten Aluminiumlegierungspulvermaterial gebildet haben, nicht größer als 30 µm sind, kann die Mikrostruktur des gebildeten Aluminiumlegierungspulvermaterials feiner und homogenisierter gemacht werden.

Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein einstufiges Schmiedeverfahren, worin ein vorgeformtes Aluminiumlegierungs pulvermaterial geschmiedet wird.

Fig. 2 zeigt ein zweistufiges Schmiedeverfahren, worin ein vorgeformtes Aluminium pulverlegierungsmaterial vorher geschmiedet wird und dann zusätzlich geschmiedet wird.

Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren, worin das vorgeformte Material 1, gebildet durch Komprimieren eines Aluminium pulverausgangsmaterials, zur Herstellung eines spiralförmigen Teils 2 warmgeschmiedet wird.

Fig. 4 ist ein Diagramm (P/M Al-20Si-5Fe), das einen Vergleich der maschinellen Bearbeitbarkeit zwischen extrudiertem Material aus Aluminiumlegierungspulver nach Beispiel IX und der Gußaluminium legierung JIS AC9B (Al-20Si-1Ni) zeigt.

Die folgenden Ausführungsformen erläutern die Erfindung.

Ausführungsform 1

Al-20Si-5Fe-Pulver, hergestellt als Aluminiumlegierungs pulver, wurde auf der Basis von Untersuchungen als Ausgangs material, das für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von spiralförmigen Teilen geeignet ist, gewählt. Es wurden spiralförmige Teile durch Warmschmieden hergestellt, um die Einflüsse der Vorformerwärmungs bedingungen, Werkzeugtemperatur und dgl. zu untersuchen.

Die spiralförmigen Teile wurden wie folgt hergestellt:

Luftzerstäubtes bzw. luftverdüstes Al-20Si-5Fe-Pulver mit einem Teilchendurchmesser von nicht mehr als 350 µm (-42 mesh) wurde durch eine kalte isostatische Presse vom Naßtyp bei einem Druck von 1,5 t/cm² zur Bildung einer Materialsäule mit einem Durchmesser von 98 mm und einer Länge von 40 mm (worin die relative Dichte des grünen Preßlings 1 70% betrug) komprimiert. Der grüne Preßling wurde bei den folgenden Temperaturbedingungen durch eine Friktionspresse zur Herstellung eines spiral förmigen Teils 2 (d. h. einer umlaufenden Schneckenplatte mit Evolventenwicklungen) mit einem Durchmesser von 100 mm, einer Plattendicke von 10 mm, einer Spiraldicke von 8 mm und einer Höhe von 20 mm (mit Bezug auf Fig. 1) geschmiedet.

Tabelle 1

Aus dem vorstehenden Versuch ist ersichtlich, daß eine Rißbildung im Fall (e) auftritt, wo die Vorformtemperatur zu niedrig ist (250°C), oder in dem Fall (f), wo die Vorformtemperatur zu hoch ist (570°C). Weiterhin ist 100°C, wie im Fall (b), zu niedrig für die Werkzeug temperatur.

Bezüglich der Vorformerwärmungsatmosphäre gibt es keinen Unterschied zwischen einer Luftatmosphäre und einer Atmosphäre aus einem inerten oder inaktiven Gas, wie Ar (Argon), N₂ (Stickstoff) und dgl., wie in Tabelle 1 gezeigt.

Ausführungsform II

Um eine Pulverzusammensetzung, die als Aluminiumlegierungs pulvermaterial geeignet ist, zu erhalten, wurden die folgenden vier Pulverzusammensetzungen gewählt und untersucht:

(A) Al-20Si-5Fe
(B) Al-35Si-2Ni
(C) Al-40Si
(D) gemischtes Pulver (Al-20Si-5Fe-Pulver + 4% Graphitpulver)

Das Pulver (luftzerstäubtes Pulver mit einem Durchmesser von nicht mehr als 350 µm) in jeder der vorstehenden Zusammensetzungen wurde durch eine kalte isostatische Presse vom Trockentyp (dry-bag type) bei einem Druck von 3 t/cm² zur Bildung eines Säulenmaterials mit einem Durchmesser von 98 mm und einer Länge von 35 mm (worin die relative Dichte des grünen Preßlings 1 80% betrug) komprimiert. Der grüne Preßling wurde bei den folgenden Bedingungen geschmiedet (worin die Form des geschmiedeten Materials die gleiche wie in Ausführungsform I war).

Tabelle 2

Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, daß im Fall (h), wo der grüne Preßling, der durch Komprimieren des Pulvers gebildet wird, direkt zur Herstellung der spiralförmigen Form geschmiedet wird, die entsprechenden Zusammensetzungen (B), (C) und (D) so schlecht in ihrem plastischen Fluß sind, daß eine Rißbildung auftritt. In diesem Fall können deshalb normal geschmiedete Teile nicht erhalten werden, außer mit der Zusammensetzung (A). In den Fällen (h′) und (h′′), wo nur die Vorformerwärmungs bedingung geändert ist (500°C bzw. 550°C), werden die gleichen Ergebnisse erhalten.

Der Fall (i) ist von den vorstehenden Fällen, wo das Schmieden direkt nach der Kompression durchgeführt wird, verschieden. In dem Fall (i) werden spiralförmige Teile durch ein zweistufiges Warmschmiedeverfahren hergestellt, bei dem der grüne Preßling vorher zur Bildung eines vorgeschmiedeten Materials 2′ warmgeschmiedet wird und das vorgeschmiedete Material 2′ warmgeschmiedet wird. In diesem Fall können, wie in Tabelle 2 gezeigt, gute spiralförmige Teile, d. h. umlaufende oder feste Schneckenplatten mit Evolventenwicklungen für Schneckenkompressoren, bei jeder der Pulverzusammen setzungen (A), (B), (C) und (D) erhalten werden.

Ausführungsform III

Ein Pulver, enthaltend 0-30 Vol.-% Graphitpulver (mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 150 µm) wurde in ein Al-27 Gew.-% Si-4 Gew.-% Cu-0,5 Gew.-% Mg- Legierungspulver (mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 150 µm), wie in Tabelle 3 gezeigt, gemischt. Die erhaltene Mischung wurde bei einem Druck von 4 t/cm² zur Bildung eines grünen Preßlings mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Länge von 50 mm komprimiert. Der grüne Preßling (relative Dichte: 80%) wurde als Vorform zum Schmieden verwendet. Die auf 450°C erwärmte Vorform wurde mit einem Werkzeug warmgeschmiedet, nachdem ein Graphitschmiermittel auf die Werkzeugwand aufgebracht worden war. Während die Haftung oder Verschweißung des Vorformmaterials in das Werkzeug geprüft wurden, wurde die Zugfestigkeit der erhaltenen geschmiedeten Al-Pulver legierung und die Belastung beim ersten Auftreten eines Haftens oder Verschweißens in einem Reibungstest zwischen dem hergestellten Material und einem Referenz material S45C, wie in Tabelle 3 gezeigt, gemessen.

Tabelle 3

Ausführungsform IV

Ein Pulver, enthaltend 5 Gew.-% und 10 Gew.-% BN-Pulver (mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 150 µm) wurde in ein Al-35 Gew.-% Si-Legierungspulver (mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 250 µm) gemischt. Die Mischung wurde bei einem Druck von 1,5 t/cm² zur Bildung eines grünen Preßlings einer Größe von 175 mm (Durchmesser) × 300 mm (Länge) komprimiert. Das komprimierte Material wurde auf 450°C erwärmt und auf einen Durchmesser von 50 mm extrudiert. Das extrudierte Material wurde in Längen von 40 mm zur Herstellung eines vorgeformten Materials zum Schmieden geschnitten. Das vorgeformte Material wurde auf 450°C erwärmt und unter Bildung eines bodenrohrartigen Materials mit einem äußeren Durchmesser von 55 mm, einem Innendurchmesser von 40 mm und einer Bodendicke von 5 mm mit einem Werkzeug warmgeschmiedet, nachdem ein Graphitschmiermittel auf die Werkzeugwand aufgebracht worden war. Als Ergebnis wurde gefunden, daß das Schmieden ohne Haftung oder Schweißung in das Werkzeug durchgeführt werden konnte.

Wenn jedoch ein Al-35 Gew.-% Si-Legierungspulver ohne BN-Pulver auf die gleiche Weise, wie vorstehend beschrieben, verwendet wurde, trat eine Haftung oder Verschweißung in das Werkzeug auf.

Wie vorstehend beschrieben, enthält die erfindungsgemäß hergestellte geschmiedete Al-Pulverlegierung selbst schmierende Teilchen, so daß die geschmiedete Legierung selbst ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber einer Haftung oder Schweißung besitzt und ebenfalls ausgezeichnete Abriebbeständigkeit aufweist. Demgemäß ist die geschmiedete Legierung als Material für verschiedene Arten von gleitbaren Teilen geeignet. Im folgenden wird eine Ausführungsform beschrieben, worin umlaufende und feste Schneckenplatten mit Evolventenwicklungen in einem Kompressor vom Schneckentyp, die in ihrer Form komplex sind, da sie dünn und spiralförmig sind, nach dem erfindungs gemäßen Verfahren hergestellt werden.

Ausführungsform V

Ein Pulver, enthaltend 5-10 Gew.-% Graphitpulver, BN- Pulver oder MoS₂-Pulver, wurde in ein Al-20 Gew.-% Si- 5 Gew.-% Fe-Legierungspulver (mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 150 µm) gemischt. Die erhaltene Mischung wurde bei einem Druck von 5 t/cm² durch eine Werkzeuganordnung zur Bildung eines grünen Preßlings einer Größe von 90 mm (Durchmesser) × 40 mm (Länge) komprimiert. Als Vergleichsbeispiel wurde ein Al-20 Gew.-% Si-5 Gew.-% Fe-Legierungspulver, das keine selbstschmierenden Teilchen enthielt, auf die gleiche Weise, wie vorstehend beschrieben, komprimiert. In dem Fall, in dem das Al-20 Gew.-% Si-5 Gew.-% Fe-Legierungs pulver allein verwendet wurde, trat eine Haftung oder eine Schweißung in das Werkzeug auf. In dem Fall, in dem das Legierungspulver selbstschmierende Teilchen enthielt, trat jedoch keine Haftung oder Verschweißung in das Werkzeug auf.

Der so hergestellte entsprechende grüne Preßling wurde als Vorform zum Schmieden verwendet. Die Vorform wurde auf 500°C erwärmt und warmgeschmiedet zur Bildung eines geschmiedeten Materials mit einer Größe von 100 mm (Durchmesser) × 26 mm (Länge) mit einem Werkzeug, nachdem ein Graphitschmiermittel auf die Werkzeugwand aufgebracht worden war. Weiterhin wurde das geschmiedete Material auf 500°C erwärmt und zur Herstellung eines spiralförmigen Teils mit einem Außendurchmesser von 105 mm unter den gleichen Bedingungen warmgeschmiedet. In dem Fall, in dem das Al-20 Gew.-% Si-5 Gew.-% Fe- Legierungspulver alleine verwendet wurde, trat ein Verkleben oder Verschweißen in dem Werkzeug leicht auf trotz der Aufbringung von Graphit auf die Werkzeugwand. In dem Fall, in dem das Legierungspulver irgendeine Art von selbstschmierenden Teilchen enthielt, trat jedoch keine Haftung oder Verschweißung auf; es gab ebenfalls keine Rißbildung. In diesem Fall konnten deshalb gute spiralförmige Teile erhalten werden.

Das entsprechend erhaltene Material wurde zur Bildung von umlaufenden und festen Schneckenplatten mit Evolventen wicklungen als Endteile maschinell bearbeitet, um einen praktischen Test mit dem Schneckenkompressor durchzuführen. Als Ergebnis des Tests zeigte sich, daß die umlaufende oder feste Platte mit Evolventenwicklungen, die selbstschmierende Teilchen enthielt, eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber einer Haftung oder Verschweißung zwischen den Evolventenwicklungen besaß. Demgegenüber trat bei umlaufenden und festen Schneckenplatten mit Evolventenwicklungen, die keine selbstschmierenden Teilchen enthielten, eine Haftung oder Verschweißung zwischen den Evolventenwicklungen in etwa 5 h auf, was den Weiterbetrieb unmöglich machte.

Ausführungsform VI

Ein Pulver, enthaltend Si-Pulver, Cu-Pulver, 1 Vol.-% Mg-Pulver und 15 Vol.-% Graphitpulver, wurde in Al- Pulver (mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 250 µm) gemischt. Die Mischung wurde komprimiert und warmgeschmiedet auf die gleiche Weise, wie in Ausführungsform III beschrieben, zur Herstellung eines geschmiedeten Materials. Als Ergebnis trat keine Haftung oder Schweißung sowohl beim Kompromieren durch die Werkzeuganordnung als auch beim Wärmeschmieden auf.

Weiterhin zeigten die umlaufenden und festen Schnecken platten mit Evolventenwicklungen, die durch maschinelle Bearbeitung des geschmiedeten Materials gebildet wurden, eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber einer Haftung oder Schweißung zwischen den Evolventenwicklungen. Demgegenüber trat bei dem geschmiedeten Material, das auf die gleiche Weise, wie vorstehend beschrieben, hergestellt wurde mit der Ausnahme, daß es kein Graphitpulver enthielt, eine Haftung oder Schweißung nicht nur beim Warmschmieden, sondern auch beim Verdichten auf.

Ausführungsform VII

Ein Pulver, enthaltend 10 Vol.-% Graphitpulver und 5 Vol.-% Al₂O₃-Pulver (mit einer mittleren Teilchengröße von 1,5 µm) wurde in ein Al-30 Gew.-% Si- Legierungspulver (mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 250 µm) gemischt. Die erhaltene Mischung wurde komprimiert und auf die gleiche Weise, wie in Ausführungsform III beschrieben, zur Herstellung eines geschmiedeten Materials warmgeschmiedet. Als Ergebnis trat keine Haftung oder Schweißung sowohl beim Komprimieren als auch beim Warmschmieden auf. In einem praktischen Test mit Schneckenkompressoren zeigten die umlaufenden und festen Schneckenplatten mit Evolventenwicklungen, die durch maschinelle Bearbeitung des geschmiedeten Materials gebildet worden waren, ausgezeichnete Abriebbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber einer Haftung oder Schweißung zwischen den Evolventenwicklungen. Demgegenüber trat bei dem geschmiedeten Material, das auf die gleiche Weise, wie vorstehend beschrieben, hergestellt worden war, mit der Ausnahme, daß es kein Graphitpulver enthielt, eine Haftung oder Schweißung in die Werkzeugwand nicht nur beim Warmschmieden, sondern auch beim Verdichten auf.

Ausführungsform VIII

Spiralförmige Teile, gebildet aus Ausgangsmaterialpulver mit einer Zusammensetzung von Al-25 Gew.-% Si- 3 Gew.-%Cu-1% Mg als ein Beispiel von spiralförmigen Aluminiumlegierungsteilen, hergestellt nach dem erfindungs gemäßen Verfahren, wurden mit spiralförmigen Teilen aus einer Gußaluminiumlegierung oder Gußeisen bezüglich der maschinellen Bearbeitungszeit verglichen. Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten.

Das vorstehende Ausgangsmaterialpulver war luftzerstäubtes Pulver mit einem Teilchendurchmesser von nicht mehr als 350 µm (-42 mesh). Das Pulver wurde durch kaltes isostatisches Pressen (bei einem Druck von 1,5 t/cm²) zur Bildung eines grünen Preßlings komprimiert, der auf 450°C erwärmt und warmextrudiert wurde zur Herstellung eines runden Stabs mit einem Durchmesser von 100 mm. Der runde Stab wurde in 30 mm Längen zur Verwendung als Vorform zum Schmieden geschnitten. Die Vorform wurde bei 450°C zur Herstellung von spiralförmigen Teilen (Fig. 3) warmgeschmiedet.

Die Vergleichsmaterialien wurden aus Gußaluminiumlegierungen, wie AAC8B, und AC9B, und Gußeisen, FC25, hergestellt. Die Vergleichsmaterialien wurden bis zu einer Endbehandlungsgenauigkeit bearbeitet. Die geschmiedeten spiralförmigen Teile wurden miteinander bezüglich der maschinellen Bearbeitungszeit, die erforderlich ist, um die spiralförmigen Teile zu erhalten, verglichen.
Materialienmaschinelle Bearbeitungszeit

Pulverlegierung Al-25Si-3Cu-1Mg4 min Gußaluminiumlegierung AC8B6 min Gußaluminiumlegierung AC9B10 min Gußeisen FC2525 min

Wenn eine Gußaluminiumlegierung AC9B als Vergleichsmaterial verwendet wurde, entstanden soviele Risse, daß normale spiralförmige geschmiedete Teile nicht hergestellt werden konnten.

Aus Tabelle 4 ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäß erhaltenen spiralförmigen Teile, in denen ein Aluminium legierungspulver als Ausgangsmaterial verwendet wird, eine wesentlich geringere maschinelle Bearbeitungszeit erfordern, was zu entsprechend verringerten Kosten führt.

Da der Wärmeausdehnungskoeffizient der Al-25Si-3CU- 1 Mg-Legierung so niedrig wie 16 × 10^-6/°C ist, kann die Aussparung bzw. der Abstand über den Schneckenplatten viel kleiner sein. Weiterhin liegen die Zugfestigkeit und der Young′sche Modul der Legierung bei 45 kg/mm² bzw. 9600 kg/mm². Es gibt deshalb keine Probleme bei der Herstellung der spiralförmigen Teile, d. h. der umlaufenden oder festen Schneckenplatten mit Evolventenwicklungen.

Ausführungsform IX

Spiralförmige Teile, gebildet aus Ausgangsmaterialpulver mit einer Zusammensetzung von Al-25% Si-3% Cu- 1% Mg als weiteres Beispiel von spiralförmigen Aluminium legierungsteilen, die erfindungsgemäß hergestellt wurden, wurden mit spiralförmigen Teilen verglichen, die aus üblicher Gußaluminiumlegierung AC9B (Al-20% Si- 1% Ni) gebildet wurden, bezüglich der Schneideeigenschaft. Die Ergebnisse sind in Fig. 4 gezeigt, worin P/M Al-20Si-5Fe eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Legierung darstellt.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß der Flankenabrieb eines Schneidwerkzeugs nach dem Schneiden der P/M Al-20Si-5Fe- Pulverlegierung geringer ist als der des Schneidwerkzeugs nach dem Schneiden von AC9B, in jedem Fall, in dem das Schneidwerkzeug auf Hartmetall oder Diamant hergestellt ist.

Die Teile aus der P/M Al-20Si-Pulverlegierung mit den vorstehenden Eigenschaften werden auf die gleiche Weise, wie in Ausführungsform III beschrieben, gebildet. Demgemäß muß das Ausgangsmaterialpulver eine Teilchengröße von nicht mehr als 350 µm (-42 mesh) besitzen. Das Pulver kann durch schnelle Verfestigung bei einer Abkühlungsrate von nicht weniger als 100°C/s gebildet werden. Wenn die Abkühlungsrate geringer als 100°C/s ist oder wenn die Teilchengröße größer als 350 µm ist, wird der Grad der feinen und homogenen Mikrostruktur verringert, wodurch die maschinelle Bearbeitbarkeit und die Plastizität verringert werden, so daß eine Rißbildung oder Brüche während des Schmiedens auftreten.

Weil das P/M Al-20Si-5Fe-Legierungsmaterial, das aus sich schnell verfestigendem Legierungspulver extrudiert worden ist, günstige Eigenschaften bezüglich eines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, einer hohen Festigkeit und hohen Abriebbeständigkeit besitzt, ist das Material für Flügel bzw. Zellen in einem klimatisierten Drehkompressor für ein Auto verwendet worden.

Wie vorstehend ausführlich beschrieben wurde, wird gemäß den Ausführungsformen I und II eine Vorform durch Verdichten von Aluminiumlegierungspulver mit einer feinen und homogenen Mikrostruktur als Ausgangsmaterial gebildet. Die Vorform wird weiterhin warmgeschweißt. So werden die Herstellungskosten verringert, und die erforderliche Zeit zur maschinellen Bearbeitung wird verringert. Das Verfahren zur Herstellung von spiralförmigen Teilchen gemäß den Ausführungsformen I und II bewirkt deshalb eine beträchtliche Verringerung der Herstellungskosten.

Gemäß den Ausführungsformen III bis VII tritt keine Haftung oder Schweißung in das Werkzeug während der Heißschmiede verfahren auf. Dadurch kann die Anzahl der Heißschmiede verfahren verringert werden, und es kann weiterhin eine geschmiedete Aluminiumpulverlegierung mit ausgezeichnetem geschmiedetem Oberflächenaussehen und Dimensions genauigkeit hergestellt werden.

Die erhaltene geschmiedete Aluminiumpulverlegierung, die selbstschmierende Teilchen enthält, besitzt eine Beständigkeit gegenüber Haftung und Schweißung und Abrieb. Die Legierung ist deshalb als Material für gleitbare Teile geeignet, und es können insbesondere Aluminium legierungsteile, wie umlaufende und feste Schneckenplatten mit Evolventenwicklungen und dgl., die für Kompressoren vom Schneckentyp verwendet werden, mit niedrigen Kosten hergestellt werden.

Gemäß den Ausführungsformen VIII und IX können spiralförmige Teile leicht mit anderen Teilen, die aus Gußeisen und dgl. hergestellt sind, kombiniert werden, weil der Wärmeausdehnungskoeffizient der spiralförmigen Teile niedrig ist. Weiterhin hat das geschmiedete Material eine feine und homogene Mikrostruktur, weil es durch schnell verfestigtes Legierungspulver als Ausgangs material gebildet wird. Die Mikrostrukturen der spiral förmigen Teile sind frei von Absonderung, rauher Kristallisation und Ausfällung, so daß die spiralförmigen Teile Vorteile bezüglich der Helligkeit, guter maschineller Bearbeitbarkeit und hoher Abriebbeständigkeit besitzen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von spiralförmigen Teilen, wie umlaufenden oder festen Schneckenplatten mit Evolventenwicklungen, durch Schmieden von Aluminiumlegierungs pulver, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorform aus Aluminiumlegierungspulver mit feinen und homogenen Mikrostrukturen als Ausgangs material durch Komprimieren mit einer Werkzeuganordnung oder durch kaltes isostatisches Pressen gebildet wird und die Vorform warmgeschmiedet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feine und homogene Mikrostruktur des Aluminiumlegierungspulvers durch schnelles Verfestigen bei einer Kühlungsrate von wenigstens 100°C/s oder Verwendung von Pulver mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 350 µm gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem kalten isostatischen Pressen die Vorform unter einem Druck von nicht weniger als 1 t/cm² unter Verwendung einer kalten isostatischen Presse vom Trockenbeuteltyp gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Warmschmieden der Vorform durch vorheriges Warmschmieden der Vorform zu einer einfachen oder nahezu netzartigen Form und Wiederholen des Warmschmiedens des erhaltenden vorgeformten und geschmiedeten Materials ausreichend oft, um die Vorform zu bilden, durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Warmschmieden bei einer Vorform erwärmungstemperatur von 300 bis 500°C und einer Werkzeugtemperatur von 150 bis 500°C durchgeführt wird.

6. Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumpulver schmiedelegierung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorform durch Kompression oder Extrusion einer Pulvermischung, enthaltend 1 bis 25 Vol.-% eines selbstschmierenden Pulvers und ein Aluminiumausgangs materialpulver, gebildet wird, wobei das selbstschmierende Pulver wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe, bestehend aus Graphit, Bornitrid und Molybdändisulfid, enthält und das Aluminiumausgangs materialpulver im wesentlichen aus Aluminiummetall- oder -legierungspulver besteht, und die Vorform warm geschmiedet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumausgangsmaterialpulver weiterhin wenigstens ein Pulver eines Elements aus der Gruppe, besteht aus Kupfer, Magnesium und Silicium, enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumausgangsmaterial weiterhin wenigstens ein Pulver einer Verbindung aus der Gruppe, bestehend aus Oxiden, Nitriden, Boriden und Carbiden von Eisen, Aluminium, Magnesium, Titan, Zirkonium und Silicium, enthält.

9. Spiralförmiges Teil aus einer Schmiedealuminium legierung mit einem niedrigen Wärmeausdehnungs koeffizienten, bei dem das Teil durch maschinelle Bearbeitung eines Aluminiumlegierungsmaterials hergestellt worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumlegierungsmaterial durch Komprimieren eines feinen Aluminiumlegierungspulvers mit einem Teilchen durchmesser von nicht mehr als 350 µm, das wenigstens ein Element, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Si, Mn, Fe und Ni, in einer Menge enthält, die ausreichend ist, um zu verhindern, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient größer als 21 × 10^-6/°C, ist, warmextrudieren des komprimierten Pulvers und warmschmieden des extrudierten Materials oder warmschmieden des komprimierten Pulvers, hergestellt wird.

10. Spiralförmiges Teil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das feine Aluminiumlegierungspulver mit einem Teilchendurchmesser von nicht mehr als 350 µm durch schnelles Verfestigen bei einer Abkühlrate von nicht weniger als 100°C/s gebildet wird.

11. Spiralförmiges Teil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der Mikrostruktur des Materials nicht größer als 30 µm ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das warmschmieden unter Verwendung einer Friktionspresse durchgeführt wird.