DE4235303A1 - Rotationssymmetrisches Halbzeug mit über den Querschnitt variierenden Eigenschaften - Google Patents

Rotationssymmetrisches Halbzeug mit über den Querschnitt variierenden Eigenschaften

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Description

Die Erfindung betrifft ein rotationssymmetrisches Halbzeug, insbesondere aus Kupfer oder Kupferlegierungen, mit über den Querschnitt variierenden Eigenschaften nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2.
Aus dem Stand der Technik (etwa nach der DE-OS 4.105.420) sind für das Halbzeug nötige Vorformen mit einer veränderlichen Le­ gierungszusammensetzung und daraus resultierenden, unterschied­ lichen Eigenschaften bekannt. Die Herstellung kann nach dem so­ genannten Verfahren des "Sprühkompaktierens" erfolgen (vgl. bspw. GB-PS 1.379.261 und GB-PS 1.472.939), bei dem eine Me­ tallschmelze durch einen Gasstrahl in einer geeigneten Düse in Tröpfchen zerlegt und die Tröpfchen auf einer Unterlage wieder zu einem massiven Körper gesammelt werden.
Nach der DE-OS 4.105.420 wird die anfängliche Vorform aus einer Legierung ohne vorhandene modifizierende Zusätze hergestellt, indem die Metallschmelze auf einen rotierenden Hohldorn ver­ sprüht wird. Die späteren Abschnitte der Vorform erhalten einen modifizierten Legierungsgehalt, indem später in die Metall­ schmelze modifizierende Zusätze eingebracht und mit der Schmelze versprüht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bandbreite der möglichen rotationssymmetrischen Vorformen und die Möglichkeit der verschiedenen Eigenschaftskombinationen des Halbzeugs zu vergrößern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vor­ form aus einem Kern und mindestens einer darumliegenden Außen­ schicht besteht und daß es sich bei den modifizierenden Zu­ sätzen um in der Metallmatrix nichtlösliche Partikel handelt, die entweder in den Kern oder in die Außenschicht eingebracht sind.
Eine erfindungsgemäße Variante ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform aus einem Kern und mindestens einer darumliegenden Außenschicht besteht und daß es sich bei den modifizierenden Zusätzen um in der Metallmatrix nichtlösliche Partikel handelt, wobei verschiedenartige Partikel sowohl in den Kern als auch in die Außenschicht eingebracht sind.
Es ist zwar beim Sprühkompaktieren bekannt, Dispersoidteilchen in den Tröpfchenstrahl einzubringen (vgl. bspw. EPS 0.198.606), jedoch nicht in Verbindung mit einem Mehrschichtaufbau.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird vorge­ schlagen, daß als nichtlösliche Partikel metallische Partikel aus Molybdän, Niob, Wolfram, Blei oder dergleichen vorzusehen sind.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden als nichtlösliche Partikel nichtmetallische Oxid-, Karbid-, Borid-, Nitridteilchen oder dergleichen vorgesehen, insbesondere Parti­ kel aus Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumkarbid (SiC) oder Bornitrid (BN). Die Partikel sind vorzugsweise an den Korngren­ zen abgelagert.
Für die Vorstufe der Herstellung der rotationssymmetrischen Vorform für das Halbzeug wird vorzugsweise das Verfahren des Sprühkompaktierens eingesetzt, bei dem Metallschmelze durch einen Gasstrahl in einer Düse zu Tröpfchen zerstäubt und die Tröpfchen auf einem rotierenden Substrat gesammelt werden. Er­ findungsgemäß werden mindestens zwei gleichzeitig, unabhängig voneinander arbeitende Düsen derart angeordnet, daß sich deren Tröpfchenstrahlen überlappen und stirnseitig auf ein Substrat kreisförmigen Querschnitts gerichtet sind, wobei nichtlösliche Partikel entweder in den ersten oder zweiten Tröpfchenstrahl oder wobei verschiedenartige, nichtlösliche Partikel gleich­ zeitig in den ersten und zweiten Tröpfchenstrahl injiziert werden.
Vorzugsweise werden durch mindestens eine Düse gleichzeitig nichtlösliche Partikel sowie in der Metallmatrix merklich lös­ liche Partikel in den ersten bzw. zweiten Tröpfchenstrahl bzw. in beide Tröpfchenstrahlen injiziert (beispielsweise nicht­ lösliche Bleipartikel und lösliche Nickelpartikel in den Tröpfchenstrahl einer Kupferlegierung). Durch die nachfolgende Warmumformung der Vorform tritt Legierungsbildung mit den löslichen Partikeln ein, und es wird somit eine gezielte Eigen­ schaftsveränderung ermöglicht.
Nach dem beschriebenen Verfahren lassen sich bspw. folgende Kombinationen herstellen:
  • 1. leitfähiger Kern (Kupfer), Außenschicht mit geringem Aus­ dehnungskoeffizienten (Kupfer-Niob),
  • 2. duktiler Kern (Kupfer), hochfeste Außenschicht (Kupfer-Alu­ miniumoxid/Kupfer-Siliziumkarbid),
  • 3. hochfester Kern (Kupfer-Aluminiumoxid/Kupfer-Silizium­ karbid), gutbearbeitbare Außenschicht (Kupfer-Bornitrid),
  • 4. hochfester Kern (Kupfer-Aluminiumoxid/Kupfer-Silizium­ karbid), Außenschicht mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (Kupfer),
  • 5. bearbeitbarer Kern (Kupferlegierung-Bornitrid/Kupferlegie­ rung-Blei/Kupferlegierung-Molybdänsulfid), verschleißfeste Außenschicht (Kupfer legierung-Aluminiumoxid/Kupferlegie­ rung-Siliziumkarbid),
  • 6. leitfähiger Kern (Kupferlegierung), korrosionsbeständige, verschleißfeste Außenschicht (Kupferlegierung-Nickel, Alu­ miniumoxid/Kupferlegierung-Nickel, Siliziumkarbid),
  • 7. hochfester, leitfähiger Kern (Kupferlegierung-Aluminium­ oxid/Kupferlegierung-Siliziumkarbid), Außenschicht mit guten Gleiteigenschaften (Kupferlegierung-Grafit/Kupferle­ gierung-Blei/Kupferlegierung-Molybdänsulfid).
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die Herstellung einer zylindrischen Vorform und
Fig. 2 die Anlagerung der modifizierenden Zusätze an den Korn­ grenzen.
In Fig. 1 ist schematisch eine Sprühkompaktiervorrichtung zur Herstellung einer zylindrischen Vorform 1 (Rundbolzen) darge­ stellt. Ein Schmelzevorrat (nicht dargestellt) wird zwei Düsen 2, 3 zugeführt. Aus diesen Düsen 2, 3 treten zwei sich überlap­ pende Schmelzetröpfchenstrahlen 4, 5 aus, die stirnseitig auf ein rotierendes Substrat 6 kreisförmigen Querschnitts gerichtet sind. Auf dem Substrat 6 bzw. auf dem wachsenden Rundbolzen 1 (der in Pfeilrichtung abziehbar ist) werden die Tröpfchenstrah­ len 4, 5 wieder konsolidiert und zu einem massiven Block 1 ver­ festigt. Zusätzliche Düsen, durch die Partikel in die Tröpf­ chenstrahlen 4, 5 injiziert werden können, sind durch Ziffer 7, 8 angedeutet. In Fig. 1 ist ebenfalls angedeutet, daß gleich­ zeitig unterschiedliche Partikel (S₃, 0) in die Tröpfchenstrah­ len 4, 5 injiziert werden. Die über den Radius des Rundbolzens 1 angedeutete Partikeldichte zeigt, daß ein Verbundbolzen 1 entsteht, welcher aus einem Kern 9 und einer Außenschicht 10 mit unterschiedlichen Eigenschaften besteht.
Ein besonderer Vorteil des geschilderten Verfahrens besteht da­ rin, daß der Übergang des Kerns 9 zur Außenschicht 10 fließend erfolgt und in der Vorform 1 keine Trennfuge vorhanden ist, wie etwa bei älteren Verfahren nach dem Stand der Technik (bspw. Walzplattieren, pulvermetallurgische Herstellung). Hierdurch werden alle damit verbundenen Nachteile wie Bindefehler an der Trennfuge, hoher Aufwand für Qualitätssicherung usw. vermieden.
Zahlenbeispiel
Nach dem beschriebenen Sprühkompaktierverfahren wurde ein Rund­ bolzen 1 von 300 mm Durchmesser hergestellt, dessen Kern 9 (Durchmesser: 220 mm) aus Kupfer und dessen Außenschicht 10 (Breite: 40 mm) aus Kupfer und Aluminiumoxid bestand.
Bei der Verdüsung wurde ein Gas-Metall-Verhältnis von 0,6 (in­ nen) bzw. 0,4 (außen) gewählt.
Der Rundbolzen 1 wurde zu einer Stange von 62 mm Durchmesser verpreßt, wobei die Dicke der Außenschicht 10 3 mm und der Durchmesser des Kerns 9 56 mm betrug.
Fig. 2 zeigt in 500facher Vergrößerung die Anlagerung von Alu­ miniumoxid-Teilchen an den Korngrenzen bei einer CuCrZr-Legie­ rung, welche den Kern einer Vorform bildet.

Claims (8)

1. Halbzeug, insbesondere aus Kupfer oder Kupferlegierungen, in Form von Stangen, Rohren, Drähten oder Profilen, herge­ stellt aus einer rotationssymmetrischen Vorform (1) durch Warm- und Kaltumformschritte,
wobei die Vorform (1) über den Querschnitt aus mindestens zwei Schichten (9, 10) aufgebaut ist, die mittels modifi­ zierender Zusätze unter Ausbildung einer fließenden Grenze unterschiedliche Eigenschaften aufweisen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorform (1) aus einem Kern (9) und mindestens einer darumliegenden Außenschicht (10) besteht und
daß es sich bei den modifizierenden Zusätzen um in der Me­ tallmatrix nichtlösliche Partikel handelt, die entweder in den Kern (9) oder in die Außenschicht (10) eingebracht sind.
2. Halbzeug, insbesondere aus Kupfer oder Kupferlegierungen, in Form von Stangen, Rohren, Drähten oder Profilen, herge­ stellt aus einer rotationssymmetrischen Vorform (1) durch Warm- und Kaltumformschritte,
wobei die Vorform (1) über den Querschnitt aus mindestens zwei Schichten (9, 10) aufgebaut ist, die mittels modifi­ zierender Zusätze unter Ausbildung einer fließenden Grenze unterschiedliche Eigenschaften aufweisen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorform (1) aus einem Kern (9) und mindestens einer darumliegenden Außenschicht (10) besteht und
daß es sich bei den modifizierenden Zusätzen um in der Metallmatrix nichtlösliche Partikel handelt,
wobei verschiedenartige Partikel sowohl in den Kern (9) als auch in die Außenschicht (10) eingebracht sind.
3. Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtlösliche Partikel metallische Partikel aus Molybdän, Niob, Wolfram, Blei oder dergleichen vorgesehen sind.
4. Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtlösliche Partikel nichtmetallische Oxid-, Nitrid-, Karbid-, Boridteilchen oder dergleichen vorgesehen sind.
5. Halbzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Partikel aus Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumkarbid (SiC) oder Bornitrid (BN) vorgesehen sind.
6. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Partikel an den Korngrenzen abgelagert sind.
7. Verfahren zur Herstellung der rotationssymmetrischen Vor­ form (1) für das Halbzeug nach den Ansprüchen 1-6 durch Sprühkompaktieren, bei dem Metallschmelze durch einen Gas­ strahl in einer Düse zu Tröpfchen zerstäubt und die Tröpf­ chen auf einem rotierenden Substrat (6) gesammelt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei gleichzeitig, unabhängig voneinander arbeitende Düsen (2, 3) derart angeordnet werden, daß sich deren Tröpfchenstrahlen (4, 5) überlappen und stirnseitig auf ein Substrat (6) kreisförmigen Querschnitts gerichtet sind,
wobei nichtlösliche Partikel entweder in den ersten oder zweiten Tröpfchenstrahl (4 oder 5) oder
wobei verschiedenartige, nichtlösliche Partikel gleich­ zeitig in den ersten und zweiten Tröpfchenstrahl (4, 5) injiziert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch mindestens eine Düse (2 oder 3) gleichzeitig nichtlösliche Partikel sowie in der Metallmatrix merklich lösliche Partikel in den ersten bzw. zweiten Tröpfchen­ strahl (4 bzw. 5) bzw. in beide Tröpfchenstrahlen (4, 5) injiziert werden.
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