DE60207510T2

DE60207510T2 - Poröser metallartikel, diesen verwendenden metallkompositwerkstoff sowie verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE60207510T2
Application number: DE60207510T
Authority: DE
Inventors: Takahiro Itami-shi Matsuura; Keizo Itami-shi HARADA
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2001-06-11
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: CA2417167C; EP1304185A1; CN1464804A; CN1264631C; TWI259849B; EP1304185A4; WO2002100582A1; EP1304185B1; US20030200837A1; CA2417167A1; KR20030023749A; US6840978B2; DE60207510D1; KR100501218B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen porösen Metallkörper, der aus einer Legierung mit hoher Festigkeit, ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichneter Hitzebeständigkeit zusammengesetzt ist und auf Elektrodensubraten, Katalysatorunterlagen, Filtern, metallischen Verbundmaterialien usw. zur Anwendung gelangt. Die Erfindung betrifft auch ein metallisches Verbund- bzw. Kompositmaterial, worin der Metallkörper verwendet ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Stand der Technik
Poröse Metallkörper sind bisher auf verschiedenen Gebieten, z.B. in Filtern, die Hitzebeständigkeit aufweisen müssen, in Elektrodenplatten für Batterien und ferner in Katalysator-Trägerunterlagen sowie als metallische Kompositmaterialien verwendet worden. Daher sind Herstellverfahren für poröse Metallkörper durch eine umfängliche veröffentlichte Literatur bekannt. Ferner sind Produkte, in denen CELMET (eingetragener Handelsname), das von Sumitomo Electric Ind. Ltd. hergestellt wird und ein poröser Ni-basierter Metallkörper ist, verwendet ist, in der Industrie in breitem Umfang eingesetzt worden.
Herkömmliche poröse Metallkörper werden durch Bildung einer Metallschicht auf der Oberfläche eines geschäumten Harzes usw. und danach durch Brennen und Entfernen des Harzteils unter Reduktion der Metallschicht erzeugt. Beispielsweise gemäß dem in JP 57–174 484 beschriebenen Verfahren wird nach Behandlung der Oberfläche eines Kerns aus porösem Material z.B. aus einem geschäumten Harz zur Verleihung von elektrischer Leitfähigkeit eine Metallschicht durch ein Plattierverfahren gebildet. Beispielsweise gemäß dem in JP 38–17 554 beschriebenen Verfahren wird eine ein Metallpulver enthaltende Aufschlämmung zum Anhaften auf die Oberfläche eines Kernmaterials aus geschäumtem Harz usw. aufgebracht, und die Trocknung wird so durchgeführt, dass eine vorläufige Metallschicht gebildet wird.
In dem früheren Verfahren, worin die Metallschicht durch das Plattierverfahren gebildet ist, wird die Behandlung zur Verleihung elektrischer Leitfähigkeit durch Verklebungsaufbringung eines leitfähigen Materials, Verdampfung eines Materials zur Verleihung elektrischer Leitfähigkeit oder durch Oberflächenmodifikation mit einem chemischen Mittel usw. durchgeführt. Anschließend wird die Metallschicht, die schließlich ein poröser Metallkörper werden soll, durch Elektroplattieren oder stromloses Plattieren usw. gebildet. Zum Schluss wird der poröse Metallkörper durch Brennen und Entfernen des Harzteils erzeugt, welcher ein Material mit einem porösen Kern ist. Wird ein legierter poröser Körper erzeugt, werden unterschiedliche Sorten von Metall-Plattierschichten gebildet und einer Metalldiffusionsbehandlung durch Erhitzen unterzogen.
In letzterem Verfahren wird eine Aufschlämmung; enthaltend ein Metallpulver und ein Harz, vorab zubereitet, wobei diese die vorläufige Metallschicht wird. In diesem Verfahren werden ein Legierungspulver oder ein gemischtes Metallpulver aus einer Vielzahl von Metallen, die eine Legierungszusammensetzung aufweisen, als Metallpulver der Aufschlämmung verwendet, und der poröse Metallkörper, der durch Erhitzen nach Trocknung legiert wird, kann erzeugt werden.
Was allerdings den legierten porösen Metallkörper betrifft, der wie oben beschrieben erzeugt wird, sinkt, da das Haftvermögen unter den Partikeln der Metallpulver wegen Oxidation oder Verschlechterung der Oberflächen der Partikel in ganz besonderer Weise abgebaut wird, die mechanische Festigkeit des porösen Körpers verglichen mit derjenigen eines porösen Metallkörpers ab, der mit dem früheren Verfahren hergestellt ist, worin die Diffusionslegierungsbehandlung nach Plattierung in Kombination zur Anwendung gelangt.
Ein Beispiel einer Verbesserung dieses Nachteils, welches auf einen porösen Körper aus einer Eisenlegierung abzielt, ist in JP 6–89 376 offenbart. Gemäß dem Verfahren ist eine spezifizierte Kohlenstoffmenge im vorab zubereiteten Eisenpulver in der Aufschlämmung enthalten, und außerdem wird dessen Oberfläche zur Oxidation gezwungen. Dies verursacht eine Oxidation-Reduktion-Reaktion zwischen dem Sauerstoff im Oxid und dem enthaltenen Kohlenstoff beim Brennen, und es wird, als Ergebnis, das Haftvermögen unter den Metallpulverpartikeln verbessert.
Außerdem ist ein poröser gesinterter Eisenkörper mit dichtem Metallgerüst, dessen Rohmaterial ein Eisenoxidpulver ist, in JP 9–231 983 offenbart. Allerdings ist sogar bei diesem Verfahren eine weitere Modifikation des Metalls selbst erforderlich, um zu bewerkstelligen, dass der poröse Körper als Strukturelement verwendet werden kann, wozu eine hohe mechanische Festigkeit, Hitze und Abriebbeständigkeit wichtige Eigenschaften darstellen. Da z.B., wie beschrieben in der vorgenannten Veröffentlichung, die Eigenschaften bezüglich mechanischer Festigkeit, Korrosions- und Hitzebeständigkeit unausgewogen sind, wird der Versuch zur Verbesserung dieser Eigenschaften durch Legierungsbehandlung unternommen.
Ferner sind poröse Metallkörper durch Kombination mit einem Gießverfahren wie einem Al-Matrizenguss zunehmend verwendet worden. Diese Kombinationstechnik stellt ein Verfahren dar, wobei das Gießen eines Leichtmetalls durch Schmelz- Infiltration in Lückenteilbereiche des porösen Metallkörpers durchgeführt wird, und dieses Verfahren ist in weitem Umfang als Maßnahme zur Erzielung einer Gewichtsverringerung durch Abänderung des Gießverfahrens mit der Al-Legierung angewandt worden. In diesem Fall kann eine weitere Verbesserung der Eigenschaften durch Legierungsbehandlung des Teilbereichs erwartet werden, der vorrangig Al enthält, das mit einem porösen Körper kombiniert wird, der vorrangig Fe enthält. Demzufolge ist das Gleiche von einer Kombination mit einer Legierung eines weiteren Leichtmetalls, z.B. mit Mg, zu erwarten.
Die Verfahrenstechnik, betreffend die Kombination unter Verwendung eines porösen Metallkörpers, ist im Detail in JP 9–122 887 offenbart. Gemäß der Beschreibung in dieser Veröffentlichung wird eine derartige kombinierte Leichtmetalllegierung insbesondere für Teilstücke unter krassen Anwendungsbedingungen, z.B. ein Gleitteilstück usw., verwendet. Demzufolge müssten die Eigenschaften des porösen Metallkörpers selbst, der zur Kombination verwendet wird, mit den Verwendungen übereinstimmen.
Das vorgenannte CELMET ist als poröser Metallkörper eingesetzt worden, der zur oben beschriebenen Kombination mit dem Leichtmetall verwendet wird. Allerdings ist auch noch eine Verfahrenstechnik zur Erzeugung eines Materials mit einem weiteren ausgezeichneten Leistungsvermögen in JP 10–251 710 beschrieben. Zur Erzeugung des porösen Metallkörpers wird ein Überzug aus einer Aufschlämmung, die ein Metallpulver und ein Keramikpulver enthält, auf ein Element aus einem geschäumten Harz aufgebracht, das abgebrannt wird, worauf die Harzkomponente in einer reduzierenden Gas-Atmosphäre, die Dampf/oder Kohlendioxid enthält, abgebrannt und ferner die Temperatur angehoben werden, um so den Brennvorgang in der reduzierenden Atmosphäre durchzuführen. Als Ergebnis sind Keramikpartikel im Gerüst des entstandenen porösen Metallkörpers dispergiert, weshalb ein poröser Metallkörper gebildet wird, der überlegene keramische Eigenschaften aufweist.
Zusätzlich dazu ist ein poröser Metallkörper in JP 8–319 504 offenbart, worin Lücken unter den Pulvern genutzt werden, wobei ein Metallpulver bis zu dem Ausmaß geformt und gesintert wird, dass es nicht verdichtet wird. In diesem Verfahren beträgt der Volumenprozentsatz des porösen Metallkörpers 30 bis 88%, welcher höher als derjenige der vorliegenden Erfindung ist, und daher ist, bei Kombination mit z.B. Al, ein hoher Druck erforderlich, um das Innere des porösen Metallkörpers mit einer Al-Schmelze zu imprägnieren. Da ferner der Mengenanteil des porösen Metallkörpers im Kompositmaterial groß wird, gibt es insofern ein Problem, als der Vorteil einer Gewichtsverringerung nicht erstellt wird. Hierin bezieht sich der Volumenprozentsatz auf den Volumenprozentsatz des Gerüstteils, bezogen auf das Gesamtvolumen des porösen Körpers.
EP-A-1 065 020 offenbart einen porösen Metallkörper mit einer Schaumstruktur aus Cr-Carbid und/oder FeCr-Carbiden.
Einige Probleme im Zusammenhang mit der Verwendung eines metallischen Kompositmaterials sind durch die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten gelöst und überwunden worden, die die oben beschriebenen Verfahrenstechniken mit Metallkombinationen betreffen. Kürzlich ist ein derartiges metallisches Kompositmaterial bekannt geworden, das als Material zur Gewichtsverringerung von Motorkomponenten von Automobilen usw. verwendet worden ist. Allerdings sind, bezüglich dieser Sorte von Komponenten, die Erfordernisse für und die Ansprüche an die entsprechenden Materialien zunehmend strenger geworden, und zwar im Hinblick auf den Emissionsschutz usw.. Beispielsweise ist eine weiter verbesserte ausgezeichnete Abriebbeständigkeit bei Komponenten gefordert worden, die in ganz besonderer Weise für abriebbeständige Kolben-Ringteile von Dieselmotoren verwendet werden. Ein Kompositmaterial unter Verwendung des vorgenannten porösen Metallkörpers, enthaltend Keramikpartikel, wird als mögliches Material für derartige Komponenten genannt. Da allerdings, was dieses Material anbelangt, Keramikpartikel im Gerüst des porösen Körpers enthalten sind, wird die Vorformbearbeitung verglichen mit derjenigen eines herkömmlichen porösen Körpers aus alleiniglich Metall schwierig, weshalb die Formgestalten, die durch entsprechende Bearbeitungsvorgänge herstellbar sind, eingeschränkt sind.
Vor Allem stellen im Fall von Komponenten, wie die eines Bohrungsmaterials eines Motorblocks, der unter Hochgeschwindigkeits-Gleitbedingungen bei hoher Temperatur beansprucht wird, Verbesserungen bei der Abriebbeständigkeit, eine ausgezeichnete Formbarkeit zur nahen Netto-Vorformformung sowie zusätzlich in ganz besonderem Maße Verbesserungen der Festfahrbeständigkeit gegen das Gleit-Gegenstückmaterial sehr wichtige Anforderungen dar.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde als Ergebnis einer Forschungs- und Entwicklungsarbeit vollendet, die sich auf eine Reihe von Erfordernissen bei solchen Anwendungen bezogen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kompositmaterial bereitzustellen, das eine bisher nicht erzielbare Festfahrbeständigkeit insbesondere unter Gleitbedingungen aufweist.
Die erste Aufgabe ist es, einen porösen Metallkörper bereitzustellen, der die obige Aufgabe erfüllt, wobei der poröse Körper eine Schaumstruktur aufweist, dessen Gerüst aus einer Legierung zusammengesetzt ist, die Fe und Cr einschließt, wobei Cr-Carbid und/oder FeCr-Carbid einheitlich darin dispergiert sind und der Porendurchmesser davon 500 μm oder weniger beträgt. Die Menge an enthaltenem Metallcarbid kann, bezogen auf die Kohlenstoffmenge, bestimmt werden, und wenn der Kohlenstoffgehalt im Gerüst des porösen Metallkörpers nicht weniger als 0,1 Masse-% und nicht mehr als 3,5 Masse-% beträgt, weist der poröse Metallkörper besonders bevorzugte Eigenschaften auf. Weist der poröse Metallkörper die vorgenannte Zusammensetzung und das entsprechende Gefüge auf, wird eine bisher nicht erzielbare ausgezeichnete mechanische Festigkeit herbeigefügt. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Menge der Carbide im vorgenannten Bereich des Kohlenstoffgehalts liegt. Beträgt die Kohlenstoffmenge weniger als 0,1 Masse-% sinkt, da die Menge an Carbiden im Gerüst klein ist, sinkt die Abriebbeständigkeit ab, und übersteigt sie 3,5 Masse-%, wird das Gerüst selbst hart, und es wird schwierig, eine Vorformbearbeitung durchzuführen, und ferner kann die Aggressivität gegen das Gegen-Gleitelement erhöht sein.
Die Kohlenstoffmenge liegt bevorzugter im Bereich von 0,3 bis 2,5 Masse-%.
Im vorgenannten bevorzugten Bereich der Kohlenstoffmenge, d.h. im Bereich von 0,1 bis 3,5 Masse-%, liegt die Vickers-Härte des Gerüstteils des porösen Metallkörpers im Bereich von 140 bis 350, und daher werden gute Ergebnisse insbesondere bei der Abriebbeständigkeit und der Bearbeitbarkeit nach Kombinationslegierungsbehandlung herbeigeführt.
Wird mindestens ein Mitglied, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ni, Cu, Mo, Al, P, B, Si und aus Ti, in das Gerüst des porösen Metallkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung eingeschlossen, werden die Zähigkeit gesteigert und daher noch bevorzugtere Ergebnisse herbeigeführt. Deren erwünschte Gehaltsmenge beträgt 25 Masse-% oder weniger in der Gesamtmenge.
Bezüglich des porösen Körpers gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Porendurchmesser des Metallgerüsts bei 500 μm oder weniger eingehalten. Demgemäss wird in ganz besonderer Weise die Festfahrbeständigkeit nach Kombination mit dem Leichtmetall deutlich verbessert. Wird diese insbesondere im Bereich von 100 bis 350 μm eingehalten, ist die Imprägnierung mit der Schmelze aus Leichtmetall erleichtert, was außerdem im Hinblick auf eine Verbesserung der Festfahrbeständigkeit bevorzugt ist.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kompositmaterial bereitzustellen, das aus einem porösen Metallkörper und einer Leichtmetalllegierung zusammengesetzt ist und die vorgenannte Aufgabe erfüllt. Das Kompositmaterial ist so beschaffen, dass die Innenseite der Poren mit Porendurchmessern im vorgenannten Bereich des oben beschriebenen porösen Metallkörpers mit einer Al- oder Mg-Legierung befüllt ist. Das Kompositmaterial wird, wie dies im Detail später noch beschrieben wird, durch Druck-Imprägnierung der Poren mit den gesteuerten Porendurchmessern des vorgenannten porösen Metallkörpers mit einer Schmelze aus Al- oder Mg-Legierung erzeugt.
Durch Festlegung des Entwurfs des Porendurchmessers des Metallgerüsts auf 500 μm oder weniger lässt sich eine feine Al- oder Mg-Basisregion, die vom Metallgerüst umgeben ist, so herstellen, dass die Kontaktfläche zwischen der Basisregion und dem Gegenstückmaterial und dadurch die Häufigkeit des Auftretens des Festfahrphänomens verringert werden können. Ferner wird durch die planerische Festlegung des Porendurchmessers des Metallgerüsts auf 350 μm oder weniger zur Verringerung der Festfahrfläche in der vorgenannten Basisregion die Adhäsionskraft an der Auftrittsstelle des Festfahrens zwischen dem vorgenannten Kompositmaterial und einem Gegenstückmaterial verringert, weshalb die durch Festfahren bedingte Oberflächenbeschädigung unterdrückt werden kann.
Ist der Porendurchmesser kleiner als 100 μm, gibt es insofern ein Problem, als ein höherer Druck zum Imprägnieren mit Al und Mg erforderlich und daher die Herstellungsverfahren schwierig werden.
Im Fall eines Kompositmaterials mit Al oder Mg kann dieses, abhängig vom Porendurchmesser des Metallgerüsts, zu einem nur schwierig maschinell zu bearbeitenden Material werden, so dass die Schnittkante eines zur Bearbeitung vorgesehenen Schneidwerkzeugs beschädigt werden kann. Wird allerdings der Porendurchmesser des Metallgerüsts auf 500 μm oder weniger eingestellt, lässt sich der Abrieb des Schneidwerkzeugs verringern, da dann das Metallgerüst selbst klein wird.
In der vorliegenden Erfindung betrifft der Porendurchmesser des porösen Metallkörpers den Durchschnittsporen(Gaskavitäts-) Durchmesser, wie dieser in der allgemeinen Bezeichnung in der Industrie angewandt und gemessen werden.
Es wird nun das Verfahren zur Herstellung des porösen Metallkörpers gemäß der Erfindung im Folgenden beschrieben.
Es wird eine Aufschlämmung zubereitet, die in erster Linie ein Fe-Oxidpulver mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 5 μm oder weniger, mindestens ein Pulver, ausgewählt aus metallischem Cr, Cr-Legierungen und aus Cr-Oxiden, ein wärmehärtbares Harz und ein Verdünnungsmittel enthält. Ein Überzug aus der Aufschlämmung wird auf den Körper eines Harzkerns mit Schaumstruktur, die einen Porendurchmesser von 625 μm oder weniger aufweist, aufgebracht und getrocknet, worauf ein Brennvorgang unter Hitzebehandlung bei einer Temperatur von 950 bis 1350°C in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre durchgeführt wird.
Der Grund für die spezifische Festlegung des Durchschnittspartikeldurchmessers auf 5 μm oder weniger bezüglich des Eisenoxidpulvers als Ausgangsmaterial beruht darauf, dass die Sinterbarkeit des Gerüstteils des porösen Körpers bei der später durchzuführenden Hitzebehandlungsstufe dadurch verbessert wird. Bei Verwendung eines derartigen feinen Eisenoxidpulvers wird der Leerflächen-Prozentsatz im Querschnitt des Gerüst 30% oder weniger, und als Ergebnis, wird ein poröser Körper mit ausgezeichneten Eigenschaften der mechanischen Festigkeit, Hitze- und Korrosionsbeständigkeit erzeugt, wodurch die Aufgabe der Erfindung in angemessener Weise gelöst ist. Der Grund zur spezifischen Festlegung des Porendurchmessers des Harz-Kernkörpers mit seiner Schaumstruktur auf 625 μm oder weniger beruht darauf, dass sich dadurch der Porendurchmesser des porösen Metallkörpers auf 500 μm oder weniger festlegen lässt.
In der vorliegenden Erfindung wird Carbid durch die Reaktion mit aus dem wärmehärtbaren Harz gebildeten Kohlenstoff erzeugt. Demzufolge wird, im Gegensatz dazu, dass die Kohlenstoffkomponente in der Form von Metallcarbid vom Start weg zugegeben wird, das Metallcarbid in einem einheitlichen Zustand dispergiert. Die mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugte Metallcarbid-Phase weist eine Durchschnittspartikelgröße von 2 bis 50 μm auf und entwickelt ausgezeichnete Auswirkungen auf die Abriebbeständigkeit usw.. Durch die Verwendung des den vorgenannten Porendurchmesser aufweisenden Kernkörpers lässt sich der endgültige Porendurchmesser bei 500 μm oder weniger steuern, und durch Befüllen der Poren mit einer Legierung aus einem Leichtmetall, wie aus Al und Mg, zur Erstellung der Zusammensetzung ist insbesondere die Festfahrbeständigkeit deutlich verbessert.
Das vorgenannte mindestens eine Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ni, Cu, Mo, Al, P, B, Si und aus Ti, wird im Zustand eines Pulvers in die Aufschlämmung eingemischt. Als Ergebnis der Sinterung werden diese mit dem Basismetall, das in erster Linie Fe und Cr enthält, legiert und daher im Gerüst des porösen Metallkörpers absorbiert.
Eine bevorzugte Ausführungsform des vorgenannten Hitzebehandlungsverfahrens schließt eine erste Hitzebehandlungsstufe, in welcher, nach der Aufbringung des Überzugs aus der Aufschlämmung, die Harzkomponente im getrockneten porösen Harz-Kernkörper in einer nichtoxidierenden Atmosphäre carbonisiert wird, sowie eine zweite Hitzebehandlungsstufe ein, in welcher die Hitzebehandlung in einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 950 bis 1.350°C durchgeführt wird. In dieser zweiten Hitzebehandlungsstufe werden das Metalloxid mit der in der ersten Hitzebehandlungsstufe erzeugten carbonisierten Komponente reduziert und außerdem das Fe-Oxid und ein Teil der mindestens einen Komponente, ausgewählt aus Cr, Cr-Legierungen und aus Cr-Oxiden, in Carbide überführt und ferner die reduzierte Metallkomponente legiert und gleichfalls gesintert.
Die Punkte, die bezüglich des Herstellverfahrens anzumerken sind, betreffen die Kompoundiermenge des Harzes, das zu einer Kohlenstoffquelle zur Bildung von Carbid wird, sowie die Brennbedingungen.
Es ist bevorzugt, das Masse-Verhältnis innerhalb eines spezifizierten Bereichs bezüglich des Fe-Oxids und der weiteren Oxidpulver, die in die Aufschlämmung gegeben werden, sowie bezüglich der carbonisierten Komponente zu steuern, die aus der Harzkomponente in der Aufschlämmung und aus dem Harz-Kernkörper durch die vorgenannte erste Hitzebehandlungsstufe erzeugt wird. Es wird empfohlen, die kompoundierte Zusammensetzung der Aufschlämmung auf der Grundlage dieser Beziehung zu bestimmen und festzulegen. Das entsprechende Verfahren zu deren Bestimmung beruht auf der folgenden Gleichung (1). D.h., es sollte gelten, dass das Produkt von X, wobei X das Masse-Verhältnis des Kohlenstoffrückstands, der im Gerüst des porösen Metallkörpers zurückbleibt, relativ zum Kohlenstoff darstellt, der aus der Harzkomponente erzeugt wird, und von Y, das das Masse-Verhältnis der Harzkomponente zum Sauerstoff darstellt, der in Oxiden von Fe, Cr und der weiteren Metalle zum Zeitpunkt der Zubereitung der Aufschlämmung enthalten ist, in demjenigen Bereich liegt, der die folgende Gleichung (1) erfüllt: 37 < X × Y < 126 (1)

X:: Anteilsmenge des Kohlenstoffrückstands (Masse-%) aus der Harzkomponente
Y:: Masse-Verhältnis der Harzkomponente zum im Oxid enthaltenen Sauerstoff

Die vorgenannte Anteilsmenge des Kohlenstoffrückstands der Harzkomponente ist die Gesamtheit der Anteilsmenge des Kohlenstoffrückstands, der aus der gesamten Harzkomponente des zur Aufschlämmung gegebenen wärmehärtbaren Harzes und aus dem porösen Harzkörper, der zu einem anfänglichen Gerüst geworden ist, usw. erzeugt worden ist. Die Anteilsmenge des Kohlenstoffrückstands, die gemäß dem in JIS K2270 beschriebenen Verfahren gemessen wird, bezieht sich auf das Verhältnis der Menge der Kohlenstoffrückstandskomponente nach Carbonisierung zum anfänglichen Harzgewicht (dem Gesamtgewicht des Harz-Kernkörpers und der wärmehärtenden Harzkomponente, die verdünnt in der Aufschlämmung vorliegt). Die Menge der Oxide, die in der Versuchsberechnung des Masse-Verhältnisses Y eingesetzt wird, ist in erster Linie auf das Fe-Oxid bezogen, obwohl bei der weiteren Verwendung des Cr-Oxids dessen Menge ebenfalls mit einbezogen wird. Durch Steuerung des anfänglichen Komponentenverhältnisses unter der genannten Bedingung läuft die Reduktion der Oxide in ausgewogener Weise während der zweiten Hitzebehandlungsstufe ab, und es kann daher ein poröser Metallkörper mit ausgezeichneter mechanischer Festigkeit erzeugt werden.
Wird der Kohlenstoffgehalt im entstandenen porösen Metallkörper im Bereich von 0,1% oder mehr bis 3,5% oder weniger gesteuert, ist es bevorzugt, dass die Kompoundierung so durchgeführt wird, dass das Kompoundierverhältnis des Oxidpulvers und des wärmehärtenden Harzes die folgende Gleichung (2) erfüllt: 17 < a × b < 37 (2),worin a die Anteilsmenge des Kohlenstoffrückstands aus der zur Aufschlämmung gegebenen Lösung des wärmehärtenden Harzes und b das Masse-Verhältnis der zur Aufschlämmung gegebenen wärmehärtenden Harzlösung zum im Oxid enthaltenen Sauerstoff sind.
Die Sinterbedingungen müssen gemäß der Kohlenstoffquelle, die in der Harzkomponente in der Aufschlämmung enthalten ist, und gemäß der Sauerstoffmenge im Metalloxid entsprechend angepasst werden.
Der so erzeugte poröse Metallkörper weist eine hohe Zähigkeit und Abriebbeständigkeit auf, weil die Metallcarbid-Phase einheitlich in der Metall-Phase des Gerüstteils dispergiert und die Metallcarbid-Phase aus der Carbid-Phase sogar am Innenteil zusammengesetzt sind.
Diese porösen Metallkörper eignen sich dazu, durch Imprägnieren ihrer Poren durch Einspritzen einer Schmelze aus einer Al- oder Mg-Legierung kombiniert zu werden. Insbesondere wenn die Schmelze aus der Al- oder Mg-Legierung unter einem Druck von 98 kPa oder mehr eingespritzt wird, um so ein Verbundmetall zu bilden, wird ein bevorzugtes metallisches Kompositmaterial erzeugt, da der poröse Metallkörper und die Al- oder Mg-Legierungsmatrix hinreichend gut ohne ungefüllte Lücken an einander haften.
Wird die Schmelze bei einem Druck unterhalb 98 kPa eingespritzt, wird die Luft, die zwischen den porösen Metallkörpergerüsten vorliegt, nicht vollständig herausgedrückt, weshalb Leerfehlstellen im Kompositmaterial auftreten können.
Ferner ist es möglich, eine Legierung herzustellen, die sich für besondere Verwendungen eignet, und zwar dadurch, dass zusätzlich eine 3. Komponente eingeschlossen wird, die sich von den Legierungen aus Fe und Cr unterscheidet. D.h., wird ein Pulver aus einer 3. Metallkomponente oder einem Oxid davon zur ursprünglichen Aufschlämmung gegeben, lassen sich die Hitze-, Korrosions- und Abriebbeständigkeit sowie die mechanische Festigkeit des sich ergebenden porösen Metallkörpers verbessern. Typische Beispiele davon schließen Ni, Cu, Mo, Al, P, B, Si und Ti ein. Diese 3. Komponente kann in der Form eines Metallpulvers, Oxidpulvers und einer Mischung davon zugefügt werden. Insbesondere hat die Zugabe in der Form des Oxids den Vorteil, dass das entsprechende Rohmaterialpulver leicht verfügbar ist.
Wird das vorgenannte 3. Material in der Form des Oxids zugegeben, wird, betreffend Y in der vorgenannten Gleichung (1) und b in der Gleichung (2), der im Oxid dieses 3. Materials enthaltene Sauerstoff ebenfalls mit einbezogen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine vergrößerte schematische Darstellung eines porösen Metallkörpers, erzeugt mit dem Herstellverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines Gerüstausschnittes des porösen Metallkörpers.
3 ist eine Darstellung, die das Vorliegen von Metallcarbiden zeigt, die im Gerüstquerschnitt des porösen Metallkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung dispergiert sind.
4 ist ein vergrößerter Ausschnitt eines metallischen Kompositmaterials, worin ein poröser Metallkörper gemäß der Erfindung verwendet ist.
Die 5 sind Darstellungen, die ein Rollzapf-Abriebtesterstück und das Teststück dafür aus der Probe eines Beispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
Beste Form zur Ausführung der Erfindung
1 ist eine vergrößerte Darstellung, die schematisch ein typisches Beispiel eines porösen Metallkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Obwohl das äußere Aussehen nahezu das gleiche wie das eines porösen Harzkörpers ist, stellt sich der Gerüstausschnitt wie in 2 wegen der Schrumpfung bei der Umwandlung zu Carbid und bei der Sinterung dar, da nach dem Überziehen des Gerüsts des porösen Harzkörpers mit einer Aufschlämmung dieser getrocknet und anschließend gesintert wird, um Leerstellen 2 zurückzulassen, die innerhalb des Metallgerüsts 1 eingeschlossen werden.
3 ist eine Darstellung, die schematisch ein typisches Beispiel eines Gerüstausschnitts eines porösen Metallkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung sowie den Bedingungszustand zeigt, worin Metallcarbid-Phasen 4 in einer Matrix 3 einer Legierungsphase dispergiert sind, die Fe und Cr enthält. Wie in 2 dargestellt, können einige Leerstellen im Gerüst vorhanden sein und vorliegen. Allerdings sind diese Leerstellen in 3 weggelassen. Erfolgt die Zugabe in der Form eines Carbidpulvers von Anfang an, werden die Carbid-Phasen 4 nicht hinreichend gut in der Matrix 3 dispergiert, weil die Partikel allzu groß sind. Beispielsweise kann die Formgröße der Carbid-Phase in diesem Fall eine Größenordnung von maximal 100 μm erreichen. Dagegen haftet der Gerüstteil des porösen Körpers gemäß der vorliegenden Erfindung hinreichend gut an der Legierungsphasen-Matrix 3, da die Carbid-Phasen 4 einheitlich und feiner als jene in der Legierungsphasen-Matrix 3 dispergiert werden, weshalb eine hohe Zähigkeitscharakteristik erzielt werden kann.
4 ist eine Darstellung, die schematisch ein typisches Beispiel eines Ausschnitts (der mit einem optischen Mikroskop betrachtet wird) eines Kompositmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, worin der poröse Metallkörper mit einer Al-Legierung kombiniert worden ist. Obwohl die innere Zusammensetzung des Gerüsts 6 des porösen Metallkörpers wegen reflektiertem Licht nicht betrachtet werden kann, gibt es erkennbare Lücken usw. am Grenzbereich mit der Al-Legierungsmatrix 5, und daher wird ein Komposit im Zustand eines genügend guten Anhaftens gebildet. Durch Bildung eines solchen Gefüges lässt sich ein metallisches Kompositmaterial mit ausgezeichneter Abriebbeständigkeit, die charakteristisch für das metallische Kompositmaterial ist, und mit ausgezeichneter Bearbeitbarkeit erzeugen.
Im Verfahren zur Herstellung eines porösen Metallkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung wird als Komponente der Aufschlämmung Fe nicht, aber ein Oxidpulver davon verwendet. Dabei wird der Durchschnittspartikeldurchmesser des Fe-Oxids auf 5 μm oder weniger und vorzugsweise auf 1 μm oder weniger spezifisch festgelegt. Demzufolge wird die Zeit, die zur Reduzierung des Inneren des Partikels erforderlich ist, verkürzt, und außerdem erfolgt die Sinterung beim Brennen leicht. Ferner werden, als Ergebnis der ersten Hitzebehandlung, die aus dem Harz erzeugten carbonisierten Komponenten in einem einheitlich um die Fe- und Cr-haltigen Primärkomponentenpartikel herum vorliegenden dispergierten Zustand gebildet und einheitlich reduziert. Als Ergebnis, wird das Gerüst mit guter Wahrscheinlichkeit glatt gebildet und weist eine einheitliche Zusammensetzung und eine relativ kleine Porosität auf.
Wie in 2 dargestellt, liegen Leerstellen im Gerüst vor. Ist die Porosität groß, wird die Festigkeit herabgesetzt. In der vorliegenden Erfindung lässt sich durch die Verwendung des oben beschriebenen Fe-Oxids die Porosität, d.h. die Leerfläche, ausgedrückt als Prozentsatz, bezogen auf die Querschnittsfläche, bei einem Wert von 30% oder weniger steuern.
Durch Verfeinerung der Partikel lässt sich die Überzugsschicht aus der Aufschlämmung auf dem porösen Harzkörper dicht und einheitlich bilden. Da ferner in der ersten Hitzebehandlungsstufe die Bildung von FeCr-Kompositoxid erleichtert ist, werden die Reaktionen währendder Reduktionssinterung beschleunigt. Als Ergebnis, verkürzt sich die Zeit für die Hitzebehandlung. Da durch Verfeinerung der Partikel die Kontaktfläche des FeCr-Kompositoxids mit den aus dem Harz erzeugten Kohlenstoffpartikeln vergrößert wird, wird die Umwandlungsreaktion zu Carbid beschleunigt, weshalb der Kohlenstoff einheitlich aufgebraucht werden kann und ein Anhaften der Kohlenstoffkomponente an der Ofenwand, die andernfalls wahrscheinlich beim Brennen des Metallpulvers in einer reduzierenden Atmosphäre auftritt, unwahrscheinlich wird. Als Ergebnis, können Probleme, z.B. eine Zerstörung des Sinterofens, unterdrückt werden.
Zur Erstellung von Cr als Legierungskomponente werden metallisches Cr, eine Cr-Legierung oder Cr-Oxid als Einspeismaterial verwendet, und es sollte gelten, dass im Hinblick auf die Zusammensetzung nach der Legierungsbehandlung Cr 30 Masse-% oder weniger beträgt und bevorzugter, zusätzlich dazu, das Masse-Verhältnis von Fe zu Cr (d.h. Fe/Cr) im Bereich einer Größenordnung von 1,5 bis 20 liegt. Übersteigt die Cr-Menge 30 Masse-%, wird die mechanische Festigkeit als poröser Metallkörper herabgesetzt. Im Hinblick auf die Bildung eines einheitlichen Gerüsts gilt, dass dieses, je feiner das Rohmaterialpulver für Cr ist, in der gleichen Weise wie im vorgenannten Rohmaterial, das zur Legierungskomponente Fe wird, umso besser ist. Da allerdings die Kosten steigen, wenn das Metallpulver immer feiner wird, ist zu empfehlen, die Partikelgröße des Rohmaterialpulvers im Hinblick auf seine Kosten zu betrachten, und im Fall von metallischem Cr ist ein Pulver mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 40 μm oder weniger bevorzugt. Noch bevorzugter wird dieses zur glatten und bequemen Legierungsbehandlung mit dem Fe-Oxid auf 10 μm oder weniger spezifisch festgelegt. Übersteigt der Durchmesser 40 μm, werden eine Ausfällung in der Aufschlämmung, Abweichungen beim Überzug und dgl. herbeigeführt, wodurch eine Nicht-Einheitlichkeit in der Legierungszusammensetzung verursacht wird. Aus den oben beschriebenen Gründen stellen ein besonders bevorzugtes Ausgangsmaterial für die Cr-Komponente Cr₂O₃ sowie eine FeCr-Legierung dar.
Werden mindestens ein Metallpulver aus Ni, Cu, Mo, Al, P, B, Si und aus Ti oder ein Oxidpulver davon als 3. Komponente zugefügt, lassen sich die Hitzebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und die mechanische Festigkeit des porösen Metallkörpers verbessern, weshalb dies bevorzugt ist. Obwohl die Menge, bei der die Effekte ausgeübt werden, unterschiedlich in Abhängigkeit vom Typ der Metallbasis ist, beträgt sie vorzugsweise 25 Masse-% oder weniger, bezogen auf die Gesamtmenge der Elementkonzentration in der Produktzusammensetzung. Wird dagegen eine 25 Masse-% übersteigende Menge zugegeben, wird die vorgenannte Verbesserung des Metallgerüsts gegenläufig beeinflusst.
Ein wichtiger Punkt, der bezüglich des Kompoundierverhältnisses in der Aufschlämmung anzumerken ist, betrifft den Anteil der Sauerstoffmenge in den Oxiden von Fe und Cr und in den Oxiden der vorgenannten dritten Komponente sowie die Menge des wärmehärtenden Harzes. Die Rolle des wärmehärtenden Harzes beruht auf seiner Funktion als Binder zum Anhaften der Aufschlämmung auf dem Harz-Kernkörper, der eine Schaumstruktur aufweist, sowie als Kohlenstoffquelle zur Bildung des Metallcarbids. Das wärmehärtende Harz wird beim Erhitzen nach dessen Aufbringung als Überzug carbonisiert, und der nach dieser Carbonisierung gebildete Kohlenstoff wird auch die Kohlenstoffquelle für die Metallcarbid-Bildung. Infolgedessen bezieht sich die entsprechende Kompoundiermenge auf das Verhältnis der Menge der als Metalloxide in der Aufschlämmung vorliegenden Sauerstoffatome zur Menge der Kohlenstoffatome in der wärmehärtenden Harzkomponente. Da das meiste des Harzes, das den Harzkörper darstellt, oder der weiteren Harzkomponenten beim Brennen abgebrannt wird, ist der entsprechende Endbeitrag für die Menge des Kohlenstoffrückstands im porösen Metallkörper klein.
Angesichts dieser Punkte ist es bevorzugt, dass das Kompoundierverhältnis der Harzkomponente und des Metalloxids zum Herstellen der Aufschlämmung auf der Grundlage des Carbonisierungsumsatzes der gesamten Harzkomponenten, einschließlich des das Gerüst bildenden porösen Harzkörpers, bestimmt wird. Was das entsprechende Berechnungsverfahren betrifft, wird das Metallgewicht pro Einheitsvolumen gemäß den Verwendungen bestimmt. Die Menge der Harzkomponenten bestimmt sich aus der Menge der Metalle. Gleichzeitig bestimmt sich die aus der zugefügten wärmehärtenden Harzkomponente abgeleitete Kohlenstoffrückstandsmenge unter Bezug auf die Anteilsmenge des Kohlenstoffrückstands aus den Harzkomponenten. Die planerische Entwicklung der Metalllegierung erfolgt auf der Grundlage der charakteristischen Eigenschaften, z.B. der Hitzebeständigkeit und mechanischen Festigkeit des Metalls, und die zuzufügenden Mengen von Fe, Cr und des 3. Metalls usw. werden im Hinblick darauf berechnet. Die Menge an Oxiden wird durch Berechnung aus deren Rohmaterialzusammensetzung bestimmt, wodurch die zu behandelnde Sauerstoffmenge bestimmt ist. Die Art und Menge des wärmehärtenden Harzes, das für die Aufschlämmung herangezogen wird, werden vorzugsweise auf Basis der folgenden Gleichung (1) in Abstimmung mit der Brennstufe davon eingestellt: 37 < X × Y < 126 (1), worin X die Anteilsmenge des Kohlenstoffrückstands (Masse-%) aus der Harzkomponente ist und das Verhältnis der Kohlenstoffmenge nach Carbonisierung zu den gesamten Harzkomponenten, wie dem Gerüstharz und dem für die Aufschlämmung verwendeten wärmehärtenden Harz, darstellt, und
worin Y das Masse-Verhältnis der gesamten Harzkomponenten zum Sauerstoff ist, der in den Oxiden von Fe und Cr, die primäre Komponenten darstellen, und des Metalls enthalten ist, das gegebenenfalls als die vorgenannte 3. Komponente zugefügt wird. Wird die 3. Komponente in der Form eines Metallpulvers zugegeben, wird dieses nicht mitgezählt. Die Harzkomponenten beziehen sich auf die Summe der Gesamtharze, einschließlich des Gerüstharzes und des wärmehärtenden Harzes.
Wird der Wert, der sich durch Multiplizieren der Anteilsmenge (a) des Kohlenstoffrückstands aus dem wärmehärtenden Harz mit dem Masse-Verhältnis (b) des wärmehärtenden Harzes zum in den Oxiden enthaltenen Sauerstoff, wie oben beschrieben, im Bereich von mehr als 17 und weniger als 37 gemäß der oben angegebenen Gleichung (2) spezifisch festgelegt, kann die Kohlenstoffmenge, die im Gerüst des entstandenen porösen Metallkörpers zurückbleibt, letztendlich im Bereich von 0,1 bis 3,5% eingestellt werden.
Wie oben beschrieben, wird durch Berücksichtigung der Menge zwischen der Harzkomponente und dem Metalloxid in der Aufschlämmung gemäß den oben angegebenen Gleichungen (1) und (2) die Kohlenstoffmenge, die im porösen Metallkörper zurückbleibt, sehr klein, und es werden daher eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit sowie eine ausgezeichnete Hitze- und Korrosionsbeständigkeit erzielt. Gleichfalls wird das Metallgefüge im Gerüst dicht, und die Leerfläche im Querschnitt des Gerüsts wird bei 30% oder weniger gesteuert. Durch Steuerung der Menge der Aufschlämmung usw. kann der Volumen-Prozentsatz des porösen Körpers frei im Bereich von 3% oder mehr gesteuert werden.
Der Überzug aus der Aufschlämmung wird auf den Harz-Kernkörper unter Verwendung der wie oben beschrieben hergestellten Aufschlämmung aufgebracht. In der vorliegenden Erfindung wird, wie oben beschrieben, zur Erzeugung eines Porendurchmessers des porösen Metallkörpers von 500 μm oder weniger ein Harz-Kernkörper mit einem Porendurchmesser von 625 μm oder weniger hergestellt, und die Aufschlämmung wird auf diesen durch Überziehen aufgebracht. Vorzugsweise liegt der Porendurchmesser im Bereich von 100 bis 350 μm. Dies ergibt eine deutliche Verbesserung der oben beschriebenen Festfahrbeständigkeit, wenn das Kompositmaterial aus dem porösen Körper und dem Leichtmetall gebildet wird.
Bezüglich des Verfahrens zur Aufbringung des Überzugs, wird der Kernkörper, nach Aufsprühen der Aufschlämmung, Eintauchen des Kernkörpers in die Aufschlämmung oder dgl., vorzugsweise durch eine Walze usw. gequetscht, um eine vorbestimmte Überzugsmenge zu ergeben. Dabei ist es wichtig, einen einheitlichen Überzug so herzustellen, dass das Innere des Gerüsts des Kernkörpers ebenfalls überzogen wird. Zur Steuerung der Überzugsmenge ist die Steuerung der Viskosität der Aufschlämmung ebenfalls wichtig. Eine derartige Steuerung wird durch Verwendung eines flüssigen wärmehärtenden Harzes oder eines Harzes erleichtert, das mit einem Lösungsmittel in den flüssigen Zustand überführt wird. Als Verdünnungsmittel wird, wenn das Harz wasserlöslich ist, Wasser verwendet, und wenn das Harz wasserunlöslich ist, wird ein organisches Lösungsmittel verwendet. Die Trocknung nach dem Überziehen wird bei einer Temperatur unterhalb derjenigen durchgeführt, bei der sich der Harz-Kernkörper verformt.
Der Harz-Kernkörper, der mit der Aufschlämmung überzogen und getrocknet ist, wird in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre gebrannt, um so einen porösen Metallkörper zu erzeugen, der ein Gefüge aufweist, worin die Gerüstoberfläche in erster Linie Fe und Cr und Carbide enthält, die einheitlich darin dispergiert sind. Bezüglich der bevorzugten Ausführungsform der Brennstufe, werden, wie oben beschrieben, 2 Stufen von Hitzebehandlungen unter sich unterscheidenden Bedingungen durchgeführt. Unter der Bedingung der ersten Hitzebehandlung werden der Harz-Kernkörper entfernt und gleichzeitig das wärmehärtende Harz carbonisiert und zudem das Metalloxid durch diese Kohlenstoffkomponente reduziert und ein Teil der Metallkomponente in das Carbid überführt. Anschließend werden die Bedingungen auf eine hohe Temperatur abgeändert, und es wird eine starke Schaum-Metall-Struktur einhergehend mit der Sinterung herbeigeführt. Gemäß dieser Behandlung werden Metallcarbide im Gerüstteil des porösen Metallkörpers gebildet und ein poröser Metallkörper erzeugt, worin diese Carbide einheitlich dispergiert sind.
In der vorgenannten Brennstufe ist die Temperatur der ersten Hitzebehandlungsstufe vorzugsweise niedriger als diejenige zur Bildung einer einheitlichen Metallzusammensetzung, und es wird eine Temperatur in der Nachbarschaft von 800°C empfohlen. Vorzugsweise liegt die Temperatur im Bereich von 750 bis 1.100°C. Die Temperatur der zweiten Hitzebehandlung zur Sinterung wird spezifisch im Bereich von 950 bis 1.350°C festgelegt, welche sich zur Bildung der Fe- und Cr-Legierung und zur Herstellung des oben beschriebenen Sinterkörpers eignet, wobei ein Bereich von 1.100 bis 1.250°C bevorzugt ist. Eine Temperatur in der Nachbarschaft von 1.200°C ist besonders erwünscht.
Als weiteres Verfahren kann die vorgenannte Brennstufe mit den folgenden 2 Hitzebehandlungsstufen durchgeführt werden. D.h., in der ersten Hitzebehandlungsstufe werden die Carbonisierung der Harzkomponente durchgeführt und gleichzeitig das FeCr-Kompositoxid durch Reaktion des Fe-Oxids mit metallischem Cr, einer Cr-Legierung oder mit Cr-Oxid gebildet. Die Bildung dieses FeCr-Kompositoxids erleichtert den Reduktionssinterungsvorgang in der nächsten Stufe. Infolgedessen ist es in der ersten Hitzebehandlungsstufe, da die Carbonisierung der Harzkomponente erforderlich ist, bevorzugt, dass die Temperatur der Atmosphäre 400°C oder mehr, aber 900°C oder weniger in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre beträgt. Dies deshalb, weil, wenn die Temperatur weniger als 400°C beträgt, die Carbonisierung der Harzkomponente eine beachtliche Zeit in Anspruch nimmt und nicht kostengünstig ist. Außerdem läuft die Carbonisierung nicht angemessen ab, und eine Bildung von Teer wird in der nächsten Stufe wahrscheinlich, und deshalb können Nachteile beim Sintern auftreten. Übersteigt im Weiteren die Temperatur 900°C, schreitet die Reduktionsreaktion des vorgenannten Kompositoxids voran, weshalb es dabei unwahrscheinlich wird, dass eine dichte Metallstruktur in der sich anschließenden zweiten Hitzebehandlungsstufe erzeugt wird.
Bei diesem Verfahren wird, wenn die zweite Hitzebehandlungsstufe ohne die vorgenannte erste Hitzebehandlungsstufe durchgeführt wird, die Carbonisierung des Harzes nicht genügend gut durchgeführt, und daher wird die Aufrechterhaltung der Gerüststruktur beeinträchtigt, und es können wahrscheinlich Risse, Brüche usw. des Gerüsts auftreten. Da ferner die Sinterung durchgeführt werden kann, während das vorgenannte FeCr-Kompositoxid nicht angemessen gebildet wird, können Defekte wegen des vorgenannten Oxids im Gerüst nach dem Brennen auftreten.
In der zweiten Hitzebehandlungsstufe tritt eine Oxidation-Reduktion-Reaktion zwischen dem FeCr-Kompositoxid und der Kohlenstoffkomponente auf, die aus der Harzkomponente in der vorhergehenden Stufe gebildet worden ist. Gleichzeitig läuft eine Sinterung unter Metallpartikeln im Metallgerüst ab. Die Atmosphäre des Brennvorgangs ist in gewünschter Weise eine reduzierende Atmosphäre, obwohl diese auch ein Vakuum sein kann. Typische Beispiele atmosphärischer Gase, die die reduzierende Atmosphäre bilden, schließen Wasserstoffgas, Ammoniak-Zersetzungsgas oder eine Mischung aus Wasserstoff- und Stickstoffgasen ein. Wird die Sinterung in einem Vakuum durchgeführt, wird der Partialdruck des Sauerstoffs in spezifischer Weise auf 0,5 Torr oder weniger spezifisch festgelegt. Die Temperatur der Atmosphäre beträgt in gewünschter Weise 950°C oder mehr, aber 1.350°C oder weniger. Unter diesen Bedingungen wird das FeCr-Kompositoxid ganz leicht mit Hilfe des durch Carbonisierung der Harzkomponente gebildeten aktiven Wasserstoffs reduziert, bildet das Gerüst und wird gleichzeitig eine FeCr-Legierung. Unterhalb 950°C braucht die Reduktionssinterung deutlich lange und ist nicht kostengünstig. Oberhalb 1.350°C tritt eine flüssige Phase beim Sintern auf, und die Aufrechterhaltung des Metallgerüsts wird unmöglich, weshalb dies nicht bevorzugt ist. Die bevorzugtere Temperatur beträgt nicht weniger als 1.100°C und nicht mehr als 1.250°C.
Das Gerüst des so hergestellten porösen Metallkörpers wird aus einer einheitlichen FeCr-Legierung so gebildet, dass eine nur kleine Porosität erzeugt und das Gerüst dicht werden, um dadurch die mechanische Festigkeit zu verbessern.
Der Porendurchmesser des wie oben beschrieben hergestellten porösen Metallkörpers wird 500 μm oder weniger. Wenn, wie oben beschrieben, der Porendurchmesser des geschäumten Harzes, das als Kernkörper erzeugt wird, klein hergestellt wird, wird ein kleinerer poröser Metallkörper erzeugt. Der poröse Körper gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit, was besonders die Biegefestigkeit und Zähigkeit betrifft, auf, weil das Gerüst aus einer Fe- und Cr-Grundlage hergestellt ist, worin feine Carbide einheitlich, wie oben beschrieben, dispergiert sind und die Porosität klein ist. Sogar wenn demnach der Porendurchmesser so klein wie 500 μm oder weniger wird, wird die Formbarkeit zu einer Vorform im Vergleich mit der Formbarkeit von solchen Produkten mit einem übersteigenden Porendurchmesser nicht verschlechtert. Da ferner der Porendurchmesser verringert ist, ist die Biegefestigkeit im Vergleich mit der Biegefestigkeit von solchen Produkten mit einem großen Porendurchmesser verbessert. Was beispielsweise Erzeugnisse aus dem gleichen Material betrifft, beträgt, wenn der Porendurchmesser 790 μm beträgt, die Biegefestigkeit 0,17 MPa, wogegen wenn der Porendurchmesser 500 μm oder weniger wird, eine ausgezeichnete Biegefestigkeit von mehr als 0,45 MPa erzielt wird. Als Folge davon lässt sich an einen wachsenden Bereich von bisher nicht vorgesehenen Verwendungen als Strukturelemente in hohem Maße denken.
Ferner ist das Kompositmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung grundlegend überlegen als Strukturelement mit leichtem Gewicht, das über eine ausgezeichnete Haltbarkeit verfügt, besonders wenn ein poröser Körper, der einen Volumen-Prozentsatz von 3% oder mehr, aber 30% oder weniger aufweist und dessen Poren befüllt sind, durch das oben beschriebene Imprägnierungsverfahren mit einem Leichtmetall kombiniert wird, das eine ausgezeichnete Hitze- und Korrosionsbeständigkeit sowie mechanische Festigkeit aufweist. Insbesondere weist, wie oben beschrieben, das durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte Kompositmaterial eine ausgezeichnete Abriebbeständigkeit auf, weil die Fläche, die durch das Leichtmetall in einer beliebigen Querschnittsfläche besetzt wird, auf einem besonders kleinen Niveau gesteuert wird und außerdem das Kompositmaterial der Gewichtsverringerung verschiedener Gleitteile zu entsprechen vermag, weil insbesondere die Festfahrbeständigkeit beim Gleitbetrieb ausgezeichnet ist.
Die vorliegende Erfindung wird nun noch spezifischer in den nun folgenden Beispielen beschrieben.
(Beispiel 1)
Eine Aufschlämmung wurde durch Vermischen bei einem Kompoundierverhältnis von 50 Masse-% Fe₂O₃-Pulver mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 0,7 μm, 23% Masse-% FeCr (60% Cr)-Legierungspulver mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 4 μm, 17 Masse-% einer 65%igen wässrigen Phenolharzlösung als wärmehärtendes Harz, 2 Masse-% CMC (Carboxymethylcellulose) als Dispergiermittel und von 8 Masse-% Wasser hergestellt. Die Aufschlämmung wurde durch Imprägnierung in einen Polyurethanschaum mit einer Dicke von 10 mm und einem Porendurchmesser von 600 μm aufgebracht. Allzu sehr anhaftende Aufschlämmung wurde mit einer Metallwalze abgequetscht und beseitigt. Es wurde an der Atmosphäre bei 120°C 10 min lang getrocknet. Die so erhaltenen Platten wurden unter den in Tabelle I angegebenen Hitzebehandlungsbedingungen behandelt, so dass poröse Metallkörper erzeugt wurden. Die entstandenen porösen Metallkörper wurden bezüglich der Dichte, Durchschnittsporosität des Gerüstteils, 3-Punkt-Biegefestigkeit und der Oxidationszuwachsrate, die die Hitzebeständigkeit anzeigt, untersucht, und die entsprechenden Ergebnisse sind in Tabelle II angegeben. Der Porendurchmesser der erzeugten porösen Metallkörper betrug 480 mm. Tabelle I

* Vergleichsbeispiel
Betreffend Nr. 1, war die Temperatur der zweiten Hitzebehandlungsstufe niedrig, und betreffend Nr. 7, war die Temperatur der zweiten Hitzebehandlungsstufe hoch. Daher waren diese Proben gegenüber den anderen porösen Metallkörpern bezüglich der vorgenannten charakteristischen Eigenschaften unterlegen.

* Das Metallgerüst von Nr. 7 wurde beim Sintern geschmolzen, und die poröse Körperstruktur konnte nicht beibehalten werden.
*1: Anteil der Leeranteilfläche, bezogen auf die Querschnittsfläche im Metallgerüst-Querschnitt
*2: Oxidationsgewichtszuwachsrate in der Atmosphäre bei 900°C 50 h lang

Gemäß den vorgenannten Ergebnissen, sind, bei niedriger Temperatur der zweiten Hitzebehandlungsstufe, die Durchschnittsporosität des Gerüstteils erhöht und die 3-Punkt-Biegefestigkeit erniedrigt. Da die Oberflächenfläche ebenfalls erhöht ist, ist die Hitzebeständigkeit wegen Oxidation erniedrigt. Ist dagegen die Temperatur allzu hoch, kann das Metallgerüst nicht beibehalten bleiben, und obwohl die Dichte erhöht ist, ist die 3-Punkt-Biegefestigkeit erniedrigt. Die Dichte des porösen Metallkörpers hängt von der Überzugsmenge der Aufschlämmung ab. Infolgedessen beträgt die Temperatur der zweiten Hitzebehandlung vorzugsweise 950 bis 1.350°C, und es ist ferner bevorzugt, dass die Hitzebehandlung zweistufig durchgeführt wird.
(Beispiel 2)
Aufschlämmungen wurden bei einem Kompoundierverhältnis von 50 Masse-% Fe₂O₃-Pulver mit den in Tabelle III angegebenen Durchschnittspartikeldurchmessern, 23 Masse-% FeCr (60% Cr)-Legierungspulver mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 8 μm, 17 Masse-% 65%ige wässrige Phenolharzlösung als wärmehärtendes Harz, 2 Masse-% CMC als Dispergiermittel und von 8 Masse-% Wasser hergestellt. Die Aufschlämmungen wurden jeweils durch Imprägnieren von Polyurethanschäumen einer Dicke von 10 mm und eines Porendurchmessers von 340 μm aufgebracht. Überschüssige Aufschlämmung wurde mit einer Metallwalze abgequetscht und beseitigt. Anschließend wurde an der Atmosphäre bei 120°C 10 min lang getrocknet. Nach Carbonisierung des Polyurethans und des Phenolharzes mit dem Hitzebehandlungsverfahren in N₂ bei 800°C über 20 min wurde eine Reduktionssinterung in H₂ bei 1.200°C 30 min lang durchgeführt, so dass poröse Metallkörper aus FeCr-Legierung erzeugt wurden. Die entstandenen porösen Metallkörper wurden bezüglich der Dichte, Durchschnittsporosität des Gerüstteils, 3-Punkt-Biegefestigkeit und der Oxidationszuwachsrate untersucht, und die entsprechenden Ergebnisse sind in Tabelle IV angegeben. Der Porendurchmesser der erzeugten porösen Metallkörper betrug 270 μm. Tabelle III

* Vergleichsbeispiel

* Vergleichsbeispiel

Gemäß Tabelle III und Tabelle IV übersteigt, wenn der Durchschnittspartikeldurchmesser des Fe-Oxids groß ist, die Durchschnittsporosität des Gerüstteils 30%, und die Zugspannungsfestigkeit wird erniedrigt. Wenn der Durchschnittspartikeldurchmeser des Fe-Oxids erhöht wird, wird die Oberflächenfläche des Gerüsts des sich ergebenden porösen Metallkörpers ebenfalls erhöht, wobei außerdem die Dichte und die Zugspannungsfestigkeit des Metalls erniedrigt werden. Als Ergebnis, wird die Oxidationszuwachsrate erhöht, die ein Maß für die Hitzebeständigkeit ist. Daher beträgt der Durchschnittspartikeldurchmesser des Fe-Oxids vorzugsweise 5 μm oder weniger und noch bevorzugter 1 μm oder weniger.
(Beispiel 3)
Poröse Metallkörper wurden unter ähnlichen Herstellbedingungen wie denen des Beispiels 2 erzeugt, mit der Ausnahme, dass ein Fe₂O₃-Pulver mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 0,7 μm verwendet und die Menge des Phenolharzes, die das wärmehärtende Harz in der Aufschlämmung darstellte, so abgeändert wurde, dass die Anteilsmenge des Kohlenstoffrückstands verändert wurde. Die Bedingungen, dargestellt durch die Anteilsmenge X des Kohlenstoffrückstands aus den Harzkomponenten und durch das Masse-Verhältnis Y der Harzkomponenten zum in den Oxiden enthaltenen Sauerstoff sind in Tabelle V angegeben. Die Harzkomponenten waren ein Phenolharz, Urethanschaum und CMC. Tabelle V

* Zur Bestimmung von X und Y durch Berechnung wurde die Messung der Harzkomponenten durchgeführt, nachdem der Urethanschaum mit der Aufschlämmung überzogen und das Ganze getrocknet worden waren.

Die unter den in Tabelle V angegebenen Aufschlämmungsherstellbedingungen gebildeten porösen Metallkörper wurden bezüglich der Dichte, Durchschnittsporosität des Gerüstteils, 3-Punkt-Biegefestigkeit und der Oxidationszuwachsrate untersucht, und die Ergebnisse sind in Tabelle VI angegeben: Tabelle VI
Wie aus den Ergebnissen der Tabelle VI klar ersichtlich, bestehen Unterschiede bei den charakteristischen Eigenschaften der erzeugten porösen Metallkörper, und zwar in Abhängigkeit des Wertes von X × Y. Es ist aus dem Vergleich zwischen der Tabelle V und der Tabelle VI klar, dass, wenn der Wert von X × Y kleiner als 37 ist (wenn das Produkt der Anteilsmenge des Kohlenstoffrückstands aus den Harzkomponenten und des Masse-Verhältnisses der Harzkomponenten zum in den Oxiden enthaltenen Sauerstoff kleiner als 37 ist), die charakteristischen Eigenschaften der porösen Metallkörper verschlechtert werden. Insbesondere wird die Porosität des Gerüstquerschnitts etwas groß, und, als Ergebnis, neigt die Oxidationszuwachsrate wegen einer Erniedrigung der Zugspannungsfestigkeit und der Hitzebeständigkeit dazu gesteigert zu werden. Ist dagegen der Wert von X × Y größer als 126 (ist das Produkt der Anteilsmenge des Kohlenstoffrückstands aus den Harzkomponenten und des Masse-Verhältnisses der Harzkomponenten zum in den Oxiden enthaltenen Sauerstoff größer als 126) stellt sich ein ähnlicher Trend ein. Daher ist aus den Ergebnissen des vorliegenden Beispiels klar ersichtlich, dass ein bevorzugterer poröser Metallkörper durch Einhalten der Bedingungen erzeugt werden kann, unter denen der Wert von X × Y mehr als 37, aber weniger als 126 beträgt.
(Beispiel 4)
Aufschlämmungen wurden mit den folgenden Zusammensetzungen zubereitet: 50 Masse-% Fe₃O₄-Pulver mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 0,8 μm, 7,9 Masse-% Cr-Pulver mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 5 μm, ein 3. Metallpulver, dessen Art und Menge in Tabelle VII angegeben sind, 12 Masse-% 65%ige wässrige Phenolharzlösung, 2 Masse-% Dispergiermittel (CMC) und Wasser, zugefügt auf insgesamt 100 Masse-%. Die Aufschlämmungen wurden jeweils durch Imprägnieren von Polyurethanschäumen einer Dicke von 15 mm und eines Porendurchmessers von 500 μm aufgebracht, worauf überschüssige Aufschlämmung mit einer Metallwalze abgequetscht und beseitigt wurde. Anschließend wurde an der Atmosphäre bei 120°C 10 min lang getrocknet. Durch Erhitzen in einer N₂-Atmosphäre bei 700°C über 25 min wurden die Harze carbonisiert und die FeCr-Kompositoxide gebildet, worauf eine Reduktionssinterung durch Erhitzen im Vakuum bei einem Sauerstoff-Partialdruck von 0,5 Torr bei 1.180°C 30 min lang durchgeführt wurde, so dass poröse Metallkörper aus einer FeCr-Legierung, enthaltend die vorgenannten 3. Metallkomponenten, erzeugt wurden. Die so gebildeten porösen Metallkörper wurden in der gleichen Weise wie in den vorherigen Beispielen bewertet, und die entsprechenden Ergebnisse sind in Tabelle VIII angegeben.
Der Porendurchmesser der porösen Metallkörper betrug 400 μm.
Tabelle VII
Tabelle VIII
Wie aus den Ergebnissen der Tabelle VII und der Tabelle VIII klar ersichtlich, ist es möglich, die Eigenschaften des porösen Metallkörpers durch Herstellung der FeCr-Legierung zu modifizieren, wobei die Legierung das 3. Metall enthält. Die physikalischen Eigenschaften, die mechanische Festigkeit und Hitzebeständigkeit werden nicht gegenläufig beeinflusst, unter der Voraussetzung, dass die Menge des 3. Metalls nicht so groß wild, um das Kompoundierverhältnis stark zu verändern. Charakteristische Eigenschaften wie Hitzebeständigkeit und 3-Punkt-Biegefestigkeit können durch Erhöhung der 3. Komponente verbessert werden.
(Beispiel 5)
Betreffend die im vorgenannten Beispiel 4 verwendete Probe Nr. 24, wurden Aufschlämmungen zubereitet, in denen die Mengen des Metalloxids und der Harzkomponenten abgeändert wurden. Bei den Harzkomponenten wurde lediglich die Menge des Phenolharzes in der Aufschlämmung abgeändert. Die weitere Zusammensetzung der Komponenten war die gleiche wie diejenige in der Probe Nr. 24.
Die Kompoundierverhältnisse, die sich durch X und Y ergeben, sind in Tabelle IX angegeben: Tabelle IX

* Bezüglich der Bestimmung von X und Y durch Berechnung, wurde die Messung der Harzkomponente durchgeführt, nachdem der Urethanschaum mit der Aufschlämmung überzogen und das Ganze getrocknet worden waren.

Poröse Metallkörper wurden mit diesen Aufschlämmungen unter den Herstellbedingungen wie denen des Beispiels 4 erzeugt. Die porösen Metallkörper wurden in der gleichen Weise wie in den vorgenannten Beispielen untersucht. Die entsprechenden Ergebnisse sind in Tabelle X angegeben. Der Porendurchmesser der erzeugten porösen Metallkörper betrug 400 μm. Tabelle X
Wie aus den Ergebnissen der Tabelle IX und der Tabelle X klar ersichtlich, wird, wenn das Kompoundierverhältnis angewandt wird, bei welchem der Wert von X × Y mehr als 37, aber weniger als 126 beträgt, ein überlegener poröser Metallkörper gebildet.
(Beispiele 6 bis 10)
Eine Aufschlämmung wurde durch Vermischen einer Zusammensetzung aus 52 Masse-% Fe₂O₃-Pulver mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 0,6 μm, 23 Masse-% FeCr (63% Cr)-Legierungspulver mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 7 μm, 13 Masse-% 65%ige wässrige Phenolharzlösung als wärmehärtendes Harz, 1,5 Masse-% Dispergiermittel (CMC) und aus 10,5 Masse-% Wasser hergestellt. Diese Aufschlämmung wurde durch Imprägnieren von Polyurethanschaum-Platten einer Dicke von 10 mm und eines Porendurchmessers von 340 μm aufgebracht. Überschüssig anhaftende Aufschlämmung wurde mit einer Metallwalze abgequetscht und beim Aufnehmen beseitigt. Die Trocknung wurde an der Atmosphäre bei 120°C 10 min durchgeführt. Die Platten wurden in der Hitze unter den in Tabelle XI angegebenen Bedingungen behandelt, so dass poröse Metallkörper erzeugt wurden. Die charakteristischen Eigenschaften der porösen Metallkörper sind in Tabelle XII angegeben.
Bezüglich der Bewertung des in Tabelle XII angegebenen "minimalen Krümmungsradius", wurde das eine Ende eines Plattenförmigen porösen Metallkörpers (140 mm × 90 mm × 3 mm) fixiert, und das andere Ende wurde so abgebogen, dass es an das fixierte Ende angenähert wurde, so dass der Krümmungsradius gemessen wurde, als der Bruch auftrat, und dieser Radius wurde als der "minimale Krümmungsradius" definiert.
Ein poröser Metallkörper wie der des Beispiels 9 kann für ein Erzeugnis herangezogen werden, das einen großen Krümmungsradius aufweist, ohne Probleme zu ergeben; allerdings kann dieses nicht dazu verwendet werden, zu einem Zylinder von 80 mm Durchmesser verarbeitet zu werden.
Es ist aus den Ergebnissen der Tabelle XII klar, dass, obwohl die Dichte des porösen Metallkörpers nicht in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt variiert wird, die Bearbeitbarkeit zur Biegeverarbeitung herabgesetzt ist, da der minimale Krümmungsradius mehr als 10 cm wird, wenn sich die Kohlenstoffmenge erhöht. Bezüglich der Härte ist es klar, dass die Härte mit dem Anstieg der Menge des Kohlenstoffrückstands erhöht wird. Hierzu werden der "Kohlenstoffgehalt" und die "Anteilsmenge des Kohlenstoffrückstands" wie folgt beschrieben.
Anteilsmenge des Kohlenstoffrückstands: Masse-Verhältnis der verbliebenen Menge an Urethanschaum und wärmehärtendem Harz, welche in der ersten Hitzebehandlungsstufe carbonisiert worden ist, zur Gesamtmenge an Harzkomponenten, z.B. des Gerüstharzes und des für die Aufschlämmung verwendeten wärmehärtenden Harzes, im Verfahren zur Hitzebehandlung in 2 getrennten Stufen Kohlenstoffgehalt: Masse-Verhältnis der Kohlenstoffmenge, die nach der zweiten Hitzebehandlungsstufe zurückbleibt, zum porösen Metallkörper, der das Endprodukt darstellt, wobei das meiste des Kohlenstoffs zur Reduktion der Oxide verbraucht wird, wenn die zweite Hitzebehandlung bei der vorgenannten Anteilsmenge des Kohlenstoffrückstands durchgeführt wird
Da eine ausgezeichnete Bearbeitbarkeit und Härte für einen porösen Metallkörper gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlich sind, muss die Kohlenstoffgehaltsmenge korrekt sein. Tabelle XI
Tabelle XII

*1 Minimaler Krümmungsradius, unter welchem beim Biegen Bruch auftritt

(Beispiele 11 bis 15)
Verschiedene Aufschlämmungen wurden zubereitet, in denen das Kompoundierverhältnis des wärmehärtenden Harzes unter Bezug auf die Aufschlämmung mit der in Beispiel 6 eingesetzten Komponentenzusammensetzung so variiert wurde, dass das entsprechende Masse-Verhältnis bezüglich der Metalloxide verändert wurde (die Kompoundierverhältnisse des wärmehärtenden Harzes sind in der zweiten Spalte der Tabelle XIII angegeben). Poröse Metallkörper wurden mit diesen Aufschlämmungen unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 6 für die Stufe der Imprägnierung mit der Aufschlämmung und für die anschließenden Stufen erzeugt. Die Anteilsmenge (a) des Kohlenstoffrückstands des wärmehärtenden Harzes und das Masse-Verhältnis (b) des wärmehärtenden Harzes zum in den Oxiden enthaltenden Sauerstoff wurden ermittelt und sind ebenfalls in Tabelle XIII angegeben.
Die charakteristischen Eigenschaften der so erzeugten porösen Körper sind in Tabelle XIV angegeben.
Erfüllen die Herstellbedingungen die Gleichung (2), kann der Kohlenstoffgehalt im porösen Metallkörper im Bereich von 0,1 bis 3,5 Masse-% gesteuert werden. Der minimale Krümmungsradius des porösen Metallkörpers wird im entsprechenden Bereich verringert, und es lassen sich verschiedene Typen von Biegebearbeitungen demgemäss erleichtert durchführen. Beträgt der Wert 37 oder mehr, übersteigt der Kohlenstoffgehalt 3,5 Masse-%, und außerdem werden der minimale Krümmungsradius groß sowie entsprechende Beschränkungen bei der Formgebung gesteigert. Ferner besteht auch eine Tendenz zur Steigerung der Härte des Metallgerüsts. Es ist aus den vorgenannten Ergebnissen klar, dass die Steuerung des bevorzugten Kohlenstoffgehalts bei 0,1 Masse-% oder mehr, aber bei 3,5 Masse-% oder weniger durch eine Steuerung des Produktwertes von a × b durchgeführt werden kann. Tabelle XIII

* Das Gewicht des wärmehärtenden Harzes, das zur Bestimmung von a und b durch Berechnung herangezogen wurde, wurde mit 65 Gew.-% eingesetzter Phenolharzlösung angenommen und durch Berechnung ermittelt.

*1 Minimaler Krümmungsradius, unter welchem beim Biegen Bruch auftritt

Beispiele 17 bis 21)
Aufschlämmungen wurden mit den folgenden Zusammensetzungen zubereitet: 54 Masse-% Fe₂O₃-Pulver mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 0,5 μm, 16 Masse-% FeCr (63% Cr)-Legierungspulver mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 5 μm, 1,5 Masse-% Dispergiermittel (CMC) und 65%ige wässrige Phenolharzlösung in der in Tabelle XV angegebenen Menge und Wasser, zugefügt auf insgesamt 100 Masse-%.
Diese Aufschlämmungen wurden jeweils in Polyurethanschaum-Platten einer Dicke von 12 mm und eines Porendurchmessers von 420 μm imprägniert, worauf überschüssige Aufschlämmung mit einer Metallwalze abgequetscht und beseitigt wurde. Anschließend wurde an der Atmosphäre bei 120°C 10 min lang getrocknet. Diese Platten wurden in der Hitze unter den in Tabelle XI angegebenen Bedingungen des Beispiels 9 so behandelt, so dass poröse Metallkörper erzeugt wurden. Die charakteristischen Eigenschaften der so erzeugten porösen Metallkörper sind in Tabelle XVI angegeben.
Der Porendurchmesser der porösen Metallkörper betrug 340 μm.
Die in Tabelle XVI angegebenen Dichtewerte der porösen Metallkörper der Beispiele 17 bis 21 unterscheiden sich von den in Tabelle XII und Tabelle XIV angegebenen Dichtewerten der porösen Metallkörper der Beispiele 6 bis 15. Dies wird dem Unterschied bei den Porositäten usw. der als Rohmaterialien eingesetzten Urethanschaum-Platten zugeordnet. Die Beziehungen zwischen dem Kohlenstoffgehalt, dem minimalen Krümmungsradius (der die Bearbeitbarkeit anzeigt) und der Härte ähneln den in Tabelle XIV angegebenen Ergebnissen. Übersteigt der Kohlenstoffgehalt 3,5%, ist die Bearbeitbarkeit erniedrigt, wie dies ganz klar aus den in Tabelle XVI angegebenen Daten des minimalen Krümmungsradius hervorgeht. Allerdings verursacht der poröse Metallkörper mit solch einem relativ hohen Kohlenstoffrückstandswert kein Problem, sogar wenn der Bearbeitungsgrad niedrig ist, und er eignet sich zur Anwendung, in denen die Abriebbeständigkeit wesentlich ist. Im Fall wie dem des Beispiels 17, worin der Kohlenstoffgehalt niedrig ist, können ausgezeichnete Ergebnisse durch Kombinieren mit einer Leichtlegierung zur Erzeugung eines metallischen Kompositmaterials nicht auftreten, da die Härte des porösen Metallkörpers niedrig ist. Tabelle XV

* Das Gewicht des wärmehärtenden Harzes, das zur Bestimmung von a und b durch Berechnung herangezogen wurde, wurde mit 65 Gew.-% der eingesetzten Phenolharzlösung angenommen und durch Berechnung ermittelt.

*1 Minimaler Krümmungsradius, unter welchem Bruch bei Biegen auftritt

Herstellbeispiel 1 des metallischen Kompositmaterials
Ein Teil eines jeden der porösen Metallkörper, die in den vorgenannten Beispielen 6 bis 21 erzeugt wurden, wurde in eine Form gegeben, und eine auf 750°C erhitzte Schmelze einer Aluminiumlegierung (AC8C) wurde in den porösen Körper unter einem Druck von 39,2 MPa imprägniert, so dass ein Aluminium-Kompositmaterial erzeugt wurde. Das entstandene Aluminium-Kompositmaterial wurde zu einer rechtwinkligen Probe (15 mm × 15 mm × 10 mm), wie dargestellt in 5(a), geschnitten und einem Rollzapf-Abriebtest mit dem in
5(c) dargestellten Testerstück unterzogen. Insbesondere wurden, wie dargestellt in den Zeichnungen, die zu bewertenden Proben in die in der Darstellung (a) gezeigte Form verarbeitet und mit Abriebleistungsdaten bewertet, wobei der Rollzapf unter vorbestimmten Bedingungen gedreht wurde.

Die Bedingungen des Rollzapf-Abriebtests sind die folgenden:

Gegenmaterial:	Nitrid-Stahl einer Härte von Hv
	= 1.000, welcher ein rotierender
	Rollzapf von 80 mm Durchmesser
	und 10 mm Breite ist
Umdrehungszahl:	200 U/min
Presslast:	60 kg
Zeit:	20 min
Schmieröl:	SAE10W30
Tröpfelgeschwindigkeit:	5 mL/min

Bei diesem Test wurde Wärme erzeugt, weil das aus Aluminium-Kompositmaterial hergestellte Teststück gegen das Gegenmaterial gedrückt wird, das sich senkrecht unter der Bedingung einer von oben angelegten Presslast dreht. Daher wurde zur Verhinderung des Schmelzens und Anhaftens der Rolle und der Probe des Kompositmaterials das Schmieröl auf den Teilbereich getröpfelt, wo diese in Kontakt mit einander vorlagen. Die Rotation des Gegenmaterials wurde 20 min nach Anlegen der Last angehalten, und es wurde die Abriebtiefe der Proben gemessen. Die gemessenen Ergebnisse sind in Tabelle XVII angegeben. Hierbei wurde eine Aluminiumlegierung (AC8C) in die Form eines rechtwinkligen Körpers geschnitten und als Vergleichsprobe 1 herangezogen.
Bei diesem Rollzapf-Abriebtest ist es, obwohl die Kombination mit dem zu kombinierenden Rollermaterial das Testergebnis beeinflusst, klar, dass, wie dargestellt in Tabelle XVII, die Kompositmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung eine deutlich verbesserte Abriebbeständigkeit zeigen und ergeben. Ist der Kohlenstoffgehalt extrem niedrig, erniedrigt sich auch der Effekt der Kompositbildung, und die Abriebbeständigkeit verbessert sich mit einem Anstieg des Kohlenstoffgehalts. In diesem Test wird ein Bearbeitungsvorgang des porösen Metallkörpers des Beispiels nicht durchgeführt. Wird allerdings eine komplizierte Bearbeitung vorgenommen, stellt die Bearbeitbarkeit einen wichtigen Gesichtspunkt dar, und deshalb ist es in einem Bereich, in welchem der Kohlenstoffgehalt hoch ist, notwendig, den Kohlenstoffgehalt unter Berücksichtigung der relativen Wichtigkeit der Abriebbeständigkeit und Bearbeitbarkeit einzustellen und auszuwählen. Tabelle XVII
Aus den vorgenannten Ergebnissen ist klar, dass der erfindungsgemäße poröse Körper selbst ausgezeichnete Abriebbeständigkeit und mechanische Festigkeit aufweist, weil Fe-Carbide oder FeCr-Carbide als einheitliche Dispersionsphase in der Legierung aus Fe und Cr vorliegen und daher das Gerüst selbst eine hohe Härte aufweist. Infolgedessen weist das Kompositmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung, das durch Kombination mit der Aluminiumlegierung unter Einsatz des porösen Körpers als Gerüst hergestellt ist, eine ausgezeichnete Abriebbeständigkeit auf.
Herstellbeispiel 2 eines metallischen Kompositmaterials
In ähnlicher Weise wie im Herstellbeispiel 1 des metallischen Kompositmaterials wurden die in den Beispielen 6 bis 21 erzeugten porösen Metallkörper mit einer Magnesiumlegierung kombiniert. Ein Teil eines jeden der porösen Metallkörper wurde in den Beispielen in eine Form gegeben, und es wurde eine auf 750°C erhitzte Schmelze aus einer Magnesiumlegierung (AZ91A) unter einem Druck von 24,5 MPa eingespritzt, wodurch ein Magnesium-Kompositmaterial erzeugt wurde. Das entstandene Magnesium-Kompositmaterial wurde in die Form eines rechtwinkligen Körpers geschnitten, worauf die Abriebbeständigkeit mit einem Rollzapf-Abriebtesterstück gemessen wurden.

Die Bedingungen des Rollzapf-Abriebtests sind die folgenden:

Gegenmaterial:	Nitrid-Stahl einer Härte von Hv
	= 1.000, wobei der Nitrid-Stahl
	eine rotierende Rolle mit 80 mm
	Durchmesser und 10 mm Breite ist
	(die gleiche wie die in dem
	Herstellbeispiel 1)
Umdrehungszahl:	300 U/min
Presslast:	50 kg
Zeit:	15 min
Schmieröl:	SAE10W30
Tröpfelgeschwindigkeit:	5 mL/min

Das Testverfahren wurde in ähnlicher Weise wie in Herstellbeispiel 1 für das metallische Kompositmaterial durchgeführt, und die Ergebnisse sind in Tabelle XVIII angegeben. Das hierin eingesetzte Vergleichsbeispiel 2 war eines, das durch Schneiden der Magnesiumlegierung (AZ91A) in die Form eines rechtwinkligen Körpers hergestellt wurde. Wie in Tabelle XVIII angegeben, kann der entsprechende Wert, wenn der Kohelnstoffgehalt niedrig ist, in die Nähe der Abriebtiefe des Vergleichsbeispiels 2 gebracht werden, worin die Kombination nicht durchgeführt war. Allerdings verbessert sich die Abriebbeständigkeit mit dem Anstieg des Kohlenstoffgehalts.
Bezüglich der Korrelation zwischen der Menge des Kohlenstoffrückstands und der Abriebmenge besteht, wie im Fall des Aluminium-Kompositmaterials, die Tendenz, dass die Härte mit einem Anstieg des Kohlenstoffgehalts erhöht und die Abriebbeständigkeit verbessert werden. Tabelle XVIII
Der erfindungsgemäße poröse Körper selbst weist ausgezeichnete Abriebbeständigkeit und mechanische Festigkeit auf, weil Fe-Carbide oder FeCr-Carbide als einheitliche Dispersionsphase in der Legierung aus Fe und Cr vorliegen und daher das Gerüst selbst eine hohe Härte aufweist. Infolgedessen weist das Kompositmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung, das durch Kombination mit der Mg-Legierung unter Verwendung des porösen Körpers als Gerüst hergestellt ist, eine ausgezeichnete Abriebbeständigkeit auf.
(Beispiele 22 bis 26)
Aufschlämmungen wurden mit den folgenden Zusammensetzungen zubereitet: 50 Masse-% Fe₂O₃-Pulver mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 0,4 μm, 14,5 Masse-% FeCr- (63% Cr)-Legierungspulver mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 5 μm, ein Metallpulver, dessen Art und Menge in Tabelle XIX angegeben sind, 12 Masse-% 65%ige wässrige Phenolharzlösung, 1,5 Masse-% Dispergiermittel (CMC) und Wasser, zugefügt in einer Menge auf insgesamt 100 Masse-%. Die Aufschlämmungen wurden jeweils in einem Polyurethanschaum einer Dicke von 10 mm und eines Porendurchmessers von 43 μm imprägniert und überschüssig anhaftende Aufschlämmung mit einer Metallwalze beseitigt. Anschließend wurde bei 120°C 10 min lang getrocknet. Die so hergestellten Platten wurden in der Hitze unter den in Tabelle XI angegebenen Bedingungen des Beispiels 9 behandelt, so dass poröse Metallkörper erzeugt wurden. Die Dichte, der Kohlenstoffgehalt und die Vickers-Härte der porösen Metallkörper sind in Tabelle XX angegeben. Tabelle XIX
Tabelle XX
Herstellbeispiel 3 eines metallischen Kompositmaterials
Jeder der in den vorgenannten Beispielen 22 bis 26 erzeugten porösen Metallkörper wurde in eine Form gelegt, und es wurde eine auf 760°C erhitzte Schmelze aus einer Aluminiumlegierung (AC8A) unter einem Druck von 20 kg/cm² eingespritzt, so dass Aluminiumkompositmaterialien erzeugt wurden. Die Kompositmaterialien wurden einem Rollzapf-Abriebtest unterzogen, und die entsprechenden Ergebnisse sind in Tabelle XXI angegeben.

Die Bedingungen des Rollzapf-Abriebtests sind die folgenden:

Gegenmaterial:	Nitrid-Stahl einer Härte von Hv
	= 1.000, wobei der Nitrid-Stahl
	eine rotierende Rolle mit 80 mm
	Durchmesser und 10 mm Breite ist
	(die gleiche wie die in dem
	Herstellbeispiel 1)
Umdrehungszahl:	50 U/min
Presslast:	100 kg
Zeit:	20 min
Schmieröl:	SAE10W30
Tröpfelgeschwindigkeit:	1 mL/min

Tabelle XXI

Vergleichsbeispiel 3: Al-Legierung (AC8A)

(Beispiele 27 bis 30)
Eine Aufschlämmung wurde mit den folgenden Zusammensetzungen zubereitet: 50 Masse-% Fe₂O₃-Pulver mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 0,4 μm, 14,5 Masse-% FeCr- (63% Cr)-Legierungspulver mit einem Durchschnittspartikeldurchmeser von 5 μm, 4,4 Masse-% Ni-Pulver mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 2,8 μm, 12 Masse-% 65%ige Phenolharzlösung, 1,5 Masse-% Dispergiermittel (CMC) und Wasser, zugefügt in einer Menge auf insgesamt 100 Masse-%.
Die Aufschlämmung wurde in in Tabelle XXII angegebene Polyurethanschäume imprägniert, worauf überschüssig anhaftende Aufschlämmung mit einer Metallwalze abgequetscht und beseitigt wurde. Anschließend wurde bei 120°C 10 min lang getrocknet. Die so hergestellten Platten wurden unter der in Tabelle XI angegebenen Hitzebehandlungsbedingung des Beispiels 9 behandelt, so dass poröse Metallkörper erzeugt wurden. Die Dichte, der Kohlenstoffgehalt, der Porendurchmesser und die 3-Punkt-Biegefestigkeit der so erzeugten porösen Metallkörper sind in Tabelle XXIII angegeben. Es ist klar, dass die Proben mit einem Porendurchmesser von 0,5 mm oder weniger eine Biegefestigkeit ergeben, die um das 1,5-Fache oder mehr größer als diejenige einer Probe mit einem Porendurchmesser von 0,64 mm ist. Tabelle XXII
Tabelle XXIII
Herstellbeispiel 4 eines metallischen Kompositmaterials
Jeder der in den vorgenannten Beispielen 22 sowie 27 bis 30 erzeugten porösen Metallkörper wurde in eine Form gegeben, und es wurde eine auf 760°C erhitzte Schmelze aus einer Aluminiumlegierung (AC8A) unter einem Druck von 20 kg/cm² eingespritzt, um dadurch ein Aluminiumkompositmaterial zu erzeugen. Ein Festfahrtest wurde an den so erzeugten Kompositmaterialien durchgeführt, und die entsprechenden Ergebnisse sind in Tabelle XXIV angegeben.

Die Bedingungen des Festfahrtests sind die folgenden:

Gegenmaterial:	Nitrid-Stahl,
	Durchmesser = 11,3 mm und
	Spitze R = 10 mm
Last:	die Belastung wird bei 1 kgf
	gestartet und um 1 kgf auf
	Minuten-Basis gesteigert
Hub:	50 mm
Testgeschwindigkeit:	200 cpm
Atmosphäre:	Überzug aus Öl (SAE10W-30) und
	danach Abwischen

Tabelle XXIV

Industrielle Anwendbarkeit
Wie oben beschrieben, ist gemäß dem Herstellverfahren der vorliegenden Erfindung der poröse Metallkörper aus der FeCr-Legierung, worin Metallcarbide einheitlich dispergiert sind, herstellbar, und dieser weist außerdem ausgezeichnete charakteristische Eigenschaften bezüglich seiner Festigkeit und Abriebbeständigkeit auf. Ferner ist ein poröser Metallkörper, worin ein drittes Metall zur Verbesserung der charakteristischen Eigenschaften des porösen Metallkörpers legiert ist, ebenfalls herstellbar.
Der poröse Metallkörper gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine genügend gute Bearbeitbarkeit und Härte auf, wobei diese Eigenschaften durch einheitliches Dispergieren von Metallcarbid-Phasen im Gerüst erhältlich sind, und daher eignet sich das Gerüst auch zur Erzeugung eines Kompositmaterials mit einer Legierung, die in erster Linie ein Leichtmetall wie Al oder Mg enthält. Das mit dem porösen Metallkörper der vorliegenden Erfindung hergestellte Kompositmaterial weist eine verbesserte Abriebbeständigkeit auf, und es ist ebenfalls ermöglicht, das Kompositmaterial genügend gut entsprechend der beabsichtigten Verwendung zu bearbeiten. Wird insbesondere ein poröser Metallkörper, dessen Porendurchmesser auf einem niedrigen Niveau von 500 μm oder weniger gesteuert wird, als Gerüst eines Kompositmaterials verwendet, das durch Kombination mit einem Leichtmetall erzeugt wird, zeigt und ergibt das Kompositmaterial eine deutlich verbesserte Festfahrbeständigkeit bei dessen Verwendung als Gleitelement.

Claims

Poröser Metallkörper, der eine Schaumstruktur aufweist und eine Legierung, die Fe und Cr enthält, umfasst, wobei die Legierung Cr-Carbid und/oder FeCr-Carbid einschließt, die einheitlich darin dispergiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur einen Porendurchmesser von 500 μm oder weniger aufweist.
Poröser Metallkörper gemäß Anspruch 1, worin der Kohlenstoffgehalt im porösen Metallkörper nicht weniger als 0,1 Masse-% und nicht mehr als 3,5 Masse-% beträgt.
Poröser Metallkörper gemäß Anspruch 1 oder 2, worin der poröse Metallkörper ferner mindestens ein Element einschließt, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ni, Cu, Mo, Al, P, B, Si und aus Ti.
Verfahren zur Herstellung eines porösen Metallkörpers, welches die Stufen umfasst: Zubereiten einer Aufschlämmung, die in erster Linie ein Pulver aus Fe-Oxid mit einem Durchschnittspartikeldurchmesser von 5 μm oder weniger, mindestens ein Pulver, ausgewählt aus metallischem Cr, Cr-Legierungen und aus Pulvern aus Cr-Oxiden, ein wärmehärtendes Harz und ein Verdünnungsmittel enthält; Aufbringen eines Überzugs aus der Aufschlämmung auf einen Harz-Kernkörper einer Schaumstruktur mit einem Porendurchmesser von 625 μm oder weniger und Durchführung einer Trocknung; und Durchführung eines Brennvorgangs, einschließlich einer Hitzebehandlungsstufe bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 1.350°C in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre.
Verfahren gemäß Anspruch 4 zur Herstellung eines porösen Metallkörpers, worin der Brennvorgang in 2 Stufen durchgeführt wird, umfassend: eine erste Hitzebehandlungsstufe, worin der Harz-Kernkörper entfernt wird, wobei das wärmehärtende Harz carbonisiert und das Metalloxid durch den entstandenen Kohlenstoff reduziert werden, wobei ein Teil der Metallkomponente in Carbid überführt wird; und eine anschließende zweite Hitzebehandlungsstufe, wobei ein gesinterter Körper mit einer starken Schaum-Metall-Struktur durch Erhitzen auf eine hohe Temperatur im Bereich von 1.100 bis 1.350°C gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4 zur Herstellung eines porösen Metallkörpers, worin der Brennvorgang in 2 Stufen durchgeführt wird, umfassend: eine erste Hitzebehandlungsstufe, wobei die Harzkomponente in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre carbonisiert wird; und eine zweite Hitzebehandlungsstufe, wobei das Metalloxid in einer reduzierenden Atmosphäre einer Temperatur von nicht weniger als 950°C und nicht mehr als 1.350°C durch den in der ersten Stufe gebildeten Kohlenstoff reduziert wird, wobei ein Teil der Metallkomponente in Carbid überführt wird, worauf das reduzierte Metall legiert und gesintert wird, um eine starke Schaum-Metall-Struktur aufzuweisen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6 zur Herstellung eines porösen Metallkörpers, worin mindestens ein Pulver, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ni, Cu, Mo, Al, P, B, Si und Ti und aus einem Oxidpulver davon, des Weiteren in die Aufschlämmung eingemischt wird, um damit verknetet zu werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7 zur Herstellung eines porösen Metallkörpers, worin das Kompoundierverhältnis der Harzkomponente und des Oxidpulvers so bestimmt ist, dass die Anteilsmenge des Kohlenstoffrückstands aus der Harzkomponente und das Masse-Verhältnis der Harzkomponente zum im Oxid enthaltenen Sauerstoff in einem Bereich liegen, der die folgende Gleichung (1) erfüllt: 37 < X × Y < 126 (1),worin gilt: X = Anteilsmenge des Kohlenstoffrückstands (Masse-%) der Harzkomponente Y = Masse-Verhältnis der Harzkomponente zum im Oxid enthaltenen Sauerstoff.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7 zur Herstellung eines porösen Metallkörpers, worin die Kompoundierung des wärmehärtenden Harzes und der Oxidpulver so durchgeführt wird, dass die Anteilsmenge des Kohlenstoffrückstands aus einer das wärmehärtende Harz enthaltenden Lösung und das Masse-Verhältnis der das wärmehärtende Harz enthaltenden Lösung zum in den Oxiden enthaltenen Sauerstoff in einem Bereich liegen, der die folgende Gleichung (2) erfüllt: 17 < a × b < 37 (2), worin gilt: a = Anteilsmenge des Kohlenstoffrückstands (Masse-%) aus der das wärmehärtende Harz enthaltenden Lösung b = Masse-Verhältnis der das wärmehärtende Harz enthaltenden Lösung zum im Oxid enthaltenen Sauerstoff und die das wärmehärtende Harz enthaltende Lösung = diejenige, worin das wärmehärtende Harz in Wasser oder einem Lösungsmittel gelöst ist.
Metallisches Kompositmaterial, worin die Poren des porösen Metallkörpers gemäß der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Al- oder einer Mg-Legierung befüllt sind.
Verfahren zur Herstellung eines metallischen Kompositmaterials, umfassend die Stufe, wobei man unter einem Druck von 98 KPa oder mehr eine Schmelze aus einer Al- oder Mg-Legierung in die Poren des mit dem Herstellverfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9 erzeugten porösen Metallkörpers spritzt und diese damit imprägniert.
Metallisches Kompositmaterial, worin die Gerüstoberfläche des porösen Metallkörpers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 mit mindestens einem festen Schmiermittel, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Graphit, Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, Bornitrid, Molybdäntrioxid und aus Eisenoxid, überzogen und ferner die Poren davon mit einer Al- oder Mg-Legierung befüllt sind.
Verfahren zur Herstellung eines metallischen Kompositmaterials, das die Stufen umfasst, in denen man: die Gerüstoberfläche des mit dem Herstellverfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9 erzeugten porösen Metallkörpers mit mindestens einem festen Schmiermittel überzieht, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Graphit, Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, Bornitrid, Molybdäntrioxid und aus Eisenoxid, und man eine Schmelze aus Al- oder Mg-Legierung in die Poren davon unter einem Druck von 98 KPa oder mehr spritzt und diese damit imprägniert.