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Verfahren zur Herstellung von Leichtmetallkörpern
| Ls ist bekannt. <iaß :\ltiniiniuni und Aluminium- |
| legierungen besonders dank ihrem leichten Gewicht |
| weit verbreitete Verwendung finden. Das Rein- |
| altiminitun besitzt allerdings nur geringe Festigkeit. |
| Im weichgeglühten Zustand betrugt die Zugfestig- |
| keit 7 bis 9 kg/mni2 und die 13rinellhärte 2o bis |
| 25 kg/nim2. Durch Kaltverformung kann man die |
| Zugfestigkeit Iris auf 2o kg/nini'= und die Brinell- |
| härte auf 40 kg/inni2 erliölieii. Durch Zugabe anderer |
| 1?lenieiite, wie Kupfer und \lagiiesiuiii, kann man |
| diese l,estiglceits@%erte erlüilien. Die erhaltenen |
| Legierungen sind zum Teil ausliärtbar, d. 11. man |
| kann ihnen durch I.iistingsgliilieii, Abschrecken und |
| Lagern drei Raum- oder erliiiliter Temperatur ins- |
| beson<iere# eine erliiihte Zugfestigkeit und eine er- |
hiilite ßrinellhärte verleihen. Auf diese Weise gelingt es, Zugfestigkeiten bis
auf über 5o und Brinellhärten bis 15o kg/mm2 zu erreichen. In vielen Fällen, wo
die Metallbeile im Betrieb erhiiliten Temperaturen ausgesetzt sind, z. B. über 200°C,
kann mit diesen hohen Festigkeiten der Leichtmetallstücke nicht gerechnet werden,
da sowohl durch Kaltbearbeitung gehärtetes als auch durch Warmbehandlung ausgehärtetes
Material weichgeglüht wird, wobei die Festigkeiten bis auf die entsprechenden Werte
, des weichgeglühten Materials herabsinken, beispielsweise bei hochfesten Aluminiumlegierungen
der Gattung AI-Cu-Mg von 42 bis 58 kg/mm2 Zugfestigkeit auf 16 bis 22 kg/min2. Es
schien bis heute ausgeschlossen,
leichte Aluminiumlegierungen herzustellen,
die ihre hohen Festigkeitseigenschaften durch eine Glühung auf beispielsweise Zoo
bis 500° C nicht verlieren.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf ein Verfahren zur Herstellung
von Leichtmetallkörpern mit einem spezifischen Gewicht von 5 und darunter, vorzugsweise
von höchstens 3, einer Bruchfestigkeit von mindestens 3o kg/mm2 und einer Brinell'härte
von mindestens 8o kg/mm2 auch im geglühten Zustand. Diese Metallkörper werden durch
Zusammenpressen und Sintern von urilegiertem oder legiertem Aluminiumpulver von
einer solchen Feinheit hergestellt, daß bei mindestens 50% der Pulverteilchen wenigstens
eine Dimension (bei Blättchen z. B. die Dicke) weniger als 2,u beträgt. Die Erfindung
bezieht sich auf die nach diesem Verfahren hergestellten Leichtmetallkörper.
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Es war bekannt, daß man Metallpulver zusammenpressen und sintern kann,
wobei feste Metallkörper erzeugt werden. Es war aber vollkommen unerwartet, daß
durch eine solche Behandlung Aluminiumpulver aus reinem Aluminium, das durch Kaltbearbeitung
eine Zugfestigkeit von höchstens ungefähr 2o kg/mm2 erhalten kann, wobei dieser
Wert auf unter io kg/mm2 durch Weichglühen herabsinkt, zu festen Metallkörpern verarbeitet
werden kann, die eine Zugfestigkeit von beispielsweise 35 kg/mm2 haben und diese
auch nach einem Glühen bei einer Temperatur nahe unterhalb des Schmelzpunktes, z.
B. bei 6oo°'C, praktisch beibehalten. Das Aluminiumpulver kann ,dabei auf irgendeine
geeignete Weise hergestellt worden sein, z. B. durch Stampfen oder in der Kugelmühle.
Die überraschende Tatsache, daß Reinaluminiumpulver Metallkörper hoher Zugfestigkeit
und Härte liefern kann, ist möglicherweise auf den Einfluß der Teilchengröße bzw.
des das Pulver bedeckenden Oxydfilms zurückzuführen. Das im wesentlichen fettfreie
Aluminiumpulver, welches im Handel erhältlich ist und bekanntlich Blättchenform
hat, ist meistens ohne weiteres Zutun schon genügend oxydiert und auch genügend
fein, um für die Ausführung des Verfahrens brauchbar zu sein. Eine Erhöhung des
Oxydgehaltes des Aluminiumpulvers bewirkt eine Erhöhung der Härte der hergestellten
Gegenstände, wogegen Streckgrenze, Zugfestigkeit und Dehnung abnehmen. Versuche
haben gezeigt, daß praktisch oxydfreies Aluminiumpulver oder solches, das nur einige
Prozent Oxyd enthält, für die Ausführung des Verfahrens unbrauchbar ist, da man
nicht Leichtmetallkörper mit der angegebenen Zugfestigkeit und Brinellhärte erhält.
Selbstverständlich steigen Zugfestigkeit und Härte mit der Erhöhung des Oxydgehaltes
nicht sprunghaft an. Die Erfindung umfaßt aber alle nach dem Verfahren hergestellten
Leichtmetallkörper, sobald die Zugfestigkeit, die Brinellhärte und das spezifische
Gewicht die angegebenen Werte erreichen. Da auch die Teilchengröße eine Rolle spielt,
kann der hierfür notwendige Mindestgehalt an Oxyd nicht angegeben werden. Für die
Feststellung der Brauchbarkeit ist der Versuch maßgebend. Das Aluminium kann auch
fremde Elemente enthalten, z. B. Kupfer, Magnesium und Silicium, mit anderen Worten,
man kann auch Pulver aus Aluminiumlegierungen benutzen; die fremden Elemente können
auch in Elementarform oder in Verbindung untereinander oder in Form von pulverisierten,
Aluminium enthaltenden Vorlegierungen dem Aluminiumpulver zugesetzt werden und sich
mit diesem während des Sinterns durch Diffusion legieren. Selbstverständlich ist
es auch möglich, dem Aluminiumpulver andere Stoffe zuzusetzen, solange das spezifische
Gewicht von 5, vorzugsweise von 3, nicht überschritten und die Zugfestigkeit von
30 kg/mm2 sowie die Brinellhärte von 8o kg/mm2 im geglühten Zustand nicht
unterschritten werden.
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Das Verfahren läßt sich auf verschiedene Weise durchführen, z. B.
a) i. kalt vorpressen, 2. sintern, 3. warm nachpressen; b) i. 'kalt vorpressen,
2. warm nachpressen und sintern; c) warm pressen und sintern.
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Selbstverständlich können andere Arbeitsgänge eingeschaltet werden.
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Beim Kaltvorpressen wendet man zweckmäßig einen Druck von 2 t/cm2
an. Beim Warmpressen geht man, wenn möglich, bis zu dem für die Preßwerkzeuge noch
zulässigen Druck.
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Beim Warmpressen und Sintern soll die Temperatur so hoch sein, daß
die gewünschte Beschaffenheit des Leichtmetallkörpers in wirtschaftlich tragbarer
Zeit erhalten wird. Andererseits darf die Temperatur nicht so 'hoch sein, daß schließlich
ein Gußstück statt eines Sinterkörpers erhalten wird, denn Gußstücke können die
angegebenen hohen Festigkeiten nicht erreichen. Die Temperatur soll mindestens 400°
C betragen; ein sehr günstiger Wert ist 55o bis 6oo° C.
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Die Dauer der Pressung und des Sinterns kann je nach Temperatur und
nach der gewünschten Beschaffenheit des Leichtmetallkörpers in weiten Grenzen schwanken.
Je höher die Temperatur ist, um so kürzer kann die Dauer sein. Die Temperatur hat
auch einen Einfluß auf die Pressung, denn je höher sie ist, um so leichter läßt
sich der Körper zusammenpressen.
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Das Warmpressen kann von einer besonderen Formgebung begleitet sein,
so daß Körper erhalten werden, die keiner Nachbearbeitung oder einer nur geringen
Nachbearbeitung bedürfen. Beispiel i Reinaluminiumpulver, dessen sämtliche Teilchen
mindestens in einer Dimension kleiner als i ,u waren, wurde kalt vorgepreßt und
anschließend bei 6oo° C unter einem Druck von 6 t/cm2, der i Minute aufrechterhalten
wurde, zu festen Metallkörpern gepreßt. Diese wiesen folgende Eigenschaften auf:
| Dichte ............... 2,2 |
| Streckgrenze o,2 ..... 28 bis 3o kg/mm2 |
| Zugfestigkeit . . . . . . . . . 32 bis 36 kg/mm2 |
| Dehnung (8 io) ....... 2 bis 5 0/0 |
| Brinellhärte . .. . . . . . . . 85 his ioo kg/mm2 |
| 13ciSl;ie12 |
| Einige nach dein ersten Beispiel erhaltene |
| Körper wurden 48 Stunden bei 63o ' C geglüht und |
| nach (lern Abkiililen wieder geprüft. Die Fertig- |
| keiten waren dieselben wie vor dem Glühen. |
| Be ispie13 |
| Nach Glühungen von nach dem ersten Beispiel er- |
| haltenen Körpcrii hei 200 und 400' C während |
| 28 Tagen wurde ebenfalls keine Änderung der |
| Festigkeiten festgestellt. |
| Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß |
| sich die nach (lein Verfahren gemäß der Erfindung |
| tiergestellten 1_eichtmetalll:örper bei erhöhter Tem- |
| peratur, z. 13. 150' C, warne verformen lassen, |
| z. 13. durch Strangpressen. Eine solche nachträg- |
| liclie \Varinverforinung 'hat auch den Vorteil, daß |
| infolge der starken Durchknetung die Dichte des |
| Körpers in den meisten Fällen noch erhöht wird, |
| und zwar auf einen Wert, der ohne Verformung |
| nur durch übermäßig lange N`'armpressung erzielt |
| werden kann. |
| Beisliie14 |
| 1)tircli Kaltvorpressen und anschließendes Warm- |
| pressen (bei ()oo' C) von Reinaltiminiumpulver |
| von einer solchen Feinheit, daß bei allen Pulver- |
| teilchen mindestens eine Dimension weniger als |
| 1 1s betrug, wurden unter einem Druck von 6 t/cm2 |
| während etwa i 1Vlinute Körper von einer Dichte |
| von 2,2 erhalten. Diese Dichte kann durch längeres |
| Pressen bei hoher Temperatur bis praktisch auf 2,7 |
| (dem spezifischen Gewicht des Aluminiums) erhöht |
| werden, doch wird das Erzeugnis dadurch erheb- |
| lich verteuert. Wird aber der Preßkörper z. B. in |
| der Strangpresse zu einer Stange verformt, so |
| kann die höhere Dichte in verhältnismäßig kurzer |
| Zeit erreicht werden, so claß das Erzeugnis in be- |
| deutend wirtschaftlicherer Weise hergestellt wird |
| als durch längeres Warmpressen. So wurden |
| einige der nach dem Beispiel erhaltenen Körper |
| bei 45o"C durch Strangpressen durch eine Matrize |
| von i j; mm Durchmesser auf eine Dichte von 2,7 |
| gebracht; gleichzeitig wurde auch die Dehnung |
| verbessert, während Streckgrenze, Zugfestigkeit |
| und Bririellhärte praktisch unverändert blieben. |
| Die Fertigkeiten waren dann folgende: |
| Leiclitnietallkörper IZeinaluminium |
| nach dem Preßstangen |
| Strangpressen zum Vergleich |
| Streckgrenze. . : 7 bis 3o kg min- 2,5 bis 5 kg'nim- |
| "Zugfestigkeit . 32 bis 35 kg, nini= 7 bis io kg inin= |
| Dehnung (b io) 5 bis 8" " 2o bis 35 "," |
| Brinellli;irte . . 851iis icx> kg,'mni- i8 bis 2R kg"nini'= |
| 3?inige der nach Pcispiel4 erhaltenen Körper |
| wurdvn nach (lein '-,trziiigpressen während verschie- |
| den latig<r Zeit Temperaturen von Zoo, 4oo und |
630' C ausgesetzt, ohne daß eine Änderung der Festigkeiten beobachtet werden konnte.
Zur Feststellung der Verhältnisse nach einer Kaltverformung wurden ferner einige
in ähnlicher Weise wie in Beispiel 4 hergestellte Körper mit Hilfe einer Ziehdüse
um etwa 7% kalt heruntergezogen und dann 14 Stunden bei 5oo° C geglüht. Es wurden
an einer Stange folgende Fertigkeiten gemessen:
| Strang Kalt- Geglüht. |
| gepreßt |
| gezogen |
| Streckgrenze kgjmm2 . 25,7 34,3 28,9 |
| Zugfestigkeit kg,'mm- . 35,3 37,2 37,0 |
| Dehnung (b io) . . . . 5,0 0% 1,0 0;'0 2,50;'o |
| B:inellliärte kg/'mm=. . 85,o 91 91,o |
Wie ersichtlich, bewirkt eine Kaltreckung ein leichtes Ansteigen von Streckgrenze
und Zugfestigkeit, während die Dehnung zurückgeht. Die darauffolgende Glühung verursacht
nur eine Kristallerholung, nicht aber eine Rekristallisation, was durch röntgenographische
Untersuchungen bestätigt wurde.
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Die Leichtmetallkörper nach der Erfindung haben nicht nur eine höhere
Streckgrenze, eine höhere Zugfestigkeit und eine höhere Härte bei Raumtemperatur,
sondern auch bei erhöhter Temperatur, wie aus folgender Zahlentafel hervorgeht:
| 20' 200 ° 300' 400' (
500, |
| Streckgrenze kgi' mm'= |
| Preßkörper . . . . . . . . . . . 25,5 17,7 15,7
10,5 9,5 |
| Al-Cu-Mg-Legierung |
| weichgeglüht ...... 8,0 6,5 5,0 3,0 - |
| Reinaluminium, weich. 3,0 I,7 1,5 1,3 - |
| Zugfestigkeit kgjmm2 |
| Preßkörper . . . . . . . . . . . 34,8 21,0 17,4 11,2 9,7 |
| Al-Cu-Mg-Legierung |
| weichgeglüht ....... 17,0 12,5 7,0 3,2 - |
| Reinaluminium" weich. 8,0 - 4,1 2,6 2,4 - |
| Brinellhärte kg,/mm' |
| Preßkörper........... 92,0 52,0 42,0 30,0 - |
| Al-Cu-blg-l.egierung |
| weichgeglüht ....... 45,0 2j,0 9,0 - - |
| Reinahiminium, weich. i8,o 6,o i,o - |
Es ist noch zu erwähnen, daß die erfindungsgemäßen Leichtmetallkörper eine verhältnismäßig
höhe elektrische und thermische Leitfähigkeit im Vergleich zu Aluminiumlegierungen
mit ähnlichen Festigkeiten bei Raumtemperatur besitzen. Außerdem liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient
an der unteren Grehze der für Aluminium-Kolben-Legierungen geltenden Werte.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Leichtmetallkörper gemäß
der Erfindung raumbeständig sind, d. h, daß sie keine bleibende N'oltiinenvergrößerung
durch Erwärmung erleiden.
Die Warmdauerstandfestigkeit dieser Körper
ist unvergleichlich besser als diejenige der bekannten :lltiniiiiitimlegiertttigen.
Die Dehngeschwindigkeit beträgt z. B. bei 25o° C zwischen der 25. und der 35. Belastungsstunde
o,62 - 10-30/0/f1 unter einer Belastung von 9 kg/mm2; unter denselben Bedingungen
erhält man bei vergütetem Al-Cu-Mg eine Dehngeschwindigkeit von 295 - ro-s%@i, also
rund das Fiinfhundertfache.
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Wenn die Körper nur aus Reinalutniniumpulver hergestellt sind, weisen
sie im Salzsprühbad dieselbe Korrosionsfestigkeit wie Reinaluminium auf.
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Durch Zusatz von bestimmten Fremdmetallpulvern zum Aluminiumpulver
oder durch Verwendung von pulverisierten Aluminiumlegierungen kann man nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren Leichtmetallkörper erhalten, die sich durch Wärmebehandlung
(Glühen, Abschrecken und gegebenenfalls Warmauslagern) aushärten lassen, wobei für
die Streckgrenze, die Zugfestigkeit und dieBrinellhärteWerte erzielt werden, welche
die der aus Reinaluminiumpulver hergestellten Körper übersteigen.
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Die gleichzeitige Verwendung von Pulvern verschiedener Zusammensetzung
ermöglicht die Herstellung von Körpern mit ungleichmäßig verteilten Eigenschaften,
was beispielsweise bei Kolben für Brennkraftniaschinen oft erwünscht ist, da der
Kolbenboden anderen Beanspruchungen unterworfen wird als der Kolbenmantel.
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Eine Erhöhung des Oxydgehaltes des Aluminiumpulvers bewirkt eine Erhöhung
der Härte, wogegen Streckgrenze und Zugfestigkeit abnehmen. Man hat es in der Hand,
durch Verwendung von Aluminiumpulvern verschiedenen Oxydgehaltes Preßkörper herzustellen,
die z. B. eine härtere Oberfläche und einen zugfesteren Kern besitzen. Man kann
auch z. B. Pulver mit einheitlichem Oxydgelialt verwenden und den vorgepreßten Körper
durch geeignete Behandlung im Oberflächenbereich an Oxvd anreichern.
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Das Aluminiumpulver kann trocken benutzt \\ erden. Es kann aber auch
vorteilhaft sein, es mit einem flüssigen Stoff, z. B. mit Wasser, anzurühren und
in teigiger Form der Presse züzuführen. Es ist meistens nicht notwendig, die Verarbeitung
in einer besonderen Atmosphäre durchzuführen, doch kann die Anwendung einer solchen
unter Umständen zweckmäßig sein, z. B. wein man dem Oberflächenbereich des Körpers
abgeänderte Eigenschaften erteilen will. Um eine weitergehende Oxydation zti verhindern,
kann es zweckmäßig den Körper unter einer Schutzatmosphäre, z. 11. von Wasserstoff
oder Stickstoff, herzustellen, insbesondere zu sintern und zu pressen. Es ist sc@llistverständlich
möglich, die Herstellung des Leichtmetallkörpers ganz oder teilweise bei Unterdruck
oder bei Überdruck durchzuführen, 1:s wurde weiter oben ausgeführt, daß die ,iitistigste
Temperatur für das Sintern 55o bis (:oo' C beträgt. -Neuere Untersuchungen haben
zu folgendem überraschendem Ergebnis geführt: Man kann durch Kaltpressen und Warmverformen
hei Temperaturen von über 35o°, die 5oo° nicht zu überschreiten brauchen, Aluminiumkörper
mit einer Zugfestigkeit von über 25, vorzugsweise von mindestens 3o kg/mm2 wenigstens
in einer Richtung, und mit einer Brinellhärte von mindestens 75 kg/mm2 auch im geglühten
Zustand erhalten, ohne daß ein besonderes Sintern und ein besonderes Warmpressen
notwendig sind.
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Das Warmpressen zur Verdichtung des Leichtmetallkörpers, wie es weiter
oben angegeben ist, darf mit dem Warmverformen nicht verwechselt werden. Beim Warmpressen
werden die Pulverteilchen einfach ohne eigentlichen Fließvorgang gegeneinandergepreßt,was
üblicherweise in einem hohlen Zylinder erfolgt, während beim Warmverformen (Strangpressen,
Warmpressen im Gesenk u. dgl.) ein Fließen, d. h. ein Aufeinandergleiten der Pulverteilchen
stattfindet. Unter Warmverformen ist also ein Warmpressen zu verstehen, das mit
einem Kneten verbunden ist. Für. den Verformungsgrad bei diesem Kneten kann kein
Mindestwert angegeben werden; auch hier ist der Versuch maßgebend. Es hat sich gezeigt,
daß ein Verformungsgrad von über 50% erwünscht ist. Beim Strangpressen z. B. wird
man dafür sorgen, daß die Querschnittsverminderung 50%, vorzugsweise 70%, übersteigt.
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Dadurch, daß man ohne Zwischenarbeitsgänge vom Kaltvorpressen zum
Warniverformen übergehen kann, spart man Zeit und kommt mit weniger Energie aus,
insbesondere weil man bei weniger hohen Temperaturen arbeiten kann, um gleichwertige
Ergebnisse zu erzielen.
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Theoretisch könnte man ohne Kaltvorpressen auskommen, doch würde das
Weglassen dieses Arbeitsvorganges mit technischen Schwierigkeiten verbunden sein,
die einen Zeitgewinn in wirtschaftlicher Hinsicht illusorisch machen würden. Beispiel
Fettfreies Reinaluminiumpulver des Handels, dessen blättchenförmige Teilchen eine
Dicke unter r u hatten, wurde in einen Hohlzylinder von roo mm Innendurchmesser
unter einem Druck von 5 t/cm2 zu einem Bolzen voll 200 mm Hölle kalt gepreßt. Hierauf
wurde der erhaltene Bolzen auf 50o°' C erwärmt und in einer Strangpresse durch eine
Matrize von 5o min Durchmesser gepreßt. Der Rezipient war ebenfalls auf ungefähr
;oo° C erwärmt.
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Die erhaltene
50 mm dicke Stange zeigte folgende Eigenschaften
| Streckgrenze ....... 25 bis 28 kg/mm2 |
| Zugfestigkeit ....... 30 bis 33 kg/mm2 |
| Dehnung= (<S io) ..... 6 bis 8 0/0 |
| Brinell'härte . . . . . . . . 8o bis 95 kg/mm2 |
Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Metallkörper eignen sich
z. B. vorzüglich für solche Zwecke, hei welchen hohe Festigkeiten verlangt werden
und 'hohe Temperaturen herrschen, z. B. für Kolben von Brennkraftmaschinen, Kolbenringe,
Leitschaufeln für
l)anil)f- und Gasturbinen, Teile von Düsenantriebsaggregat,e@n.
Man kann auch daraus Kokillen für (las Gießen von 1restimmteii Metallen, insbesondere
von Muminitnn und Muminiumlegierungen, .herstellen.