DEP0043802DA

DEP0043802DA - Process for the production of copper-aluminum alloys

Info

Publication number: DEP0043802DA
Authority: DE
Inventors: Werner Dr.-phil. Hotop; Günther Dr.-Ing. Ritzau
Original assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Current assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Publication date: 1950-12-07

Description

Kupfer-Aluminium-Legierungen, die einen Gehalt von 1 bis 10% Aluminium aufweisen, sind an sich bekannt. Sie haben bemerkenswerte Festigkeitseigenschaften und weisen hohe Verschleißfestigkeit auf, außerdem haben sie auch bei erhöhten Temperaturen hohe Festigkeit. Diese Legierungen werden auf dem Schmelzwege hergestellt und mit Rücksicht auf den verhältnismäßig hohen Aluminiumanteil ist dieser Weg als der ausschließlich gangbare angesehen worden. Die Herstellung ist indes mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, da auch beim Schmelzen das Aluminium in erheblichem Maße zur Oxydation neigt und außerdem lassen sich sowohl Blöcke als auch Formkörper praktisch nicht ohne Lunker und Oxydhäute vergießen. Trotz der erwähnten guten technologischen Eigenschaften der Legierungen hat sich daher ihre Verwendung in der Praxis nicht eingeführt.Copper-aluminum alloys which have an aluminum content of 1 to 10% are known per se. They have remarkable strength properties and high wear resistance, in addition, they have high strength even at elevated temperatures. These alloys are produced using the smelting route, and given the relatively high proportion of aluminum, this route has been regarded as the only viable one. The production is, however, associated with considerable difficulties, since the aluminum tends to oxidize to a considerable extent even when it melts and, moreover, both blocks and shaped bodies can practically not be cast without cavities and oxide skins. Despite the mentioned good technological properties of the alloys, their use has therefore not been established in practice.

Die Erfindung schlägt demgegenüber ein Verfahren vor, das zu einer einfachen Herstellung ohne die Gefahr der Oxydbildung und zu einwandfreien und dichten Körper führt. Entgegen der bisherigen Auffassung hat der Erfinder festgestellt, daß die Legierungen auf dem Sinterwege hergestellt werden können, und zwar wird vorgeschlagen, sie im technischen Vakuum oder im Schutzgas, insbesondere Wasserstoff, in Anwesenheit eines Fangstoffes zu sintern. Der Fangstoff hat dabei die Aufgabe, den in der Apparatur verbleibenden oder durch das Schutzgas eingeschleppten Sauerstoff zu binden, ehe er Gelegenheit hat, mit dem Sintergut zu reagieren.In contrast, the invention proposes a method which leads to simple production without the risk of oxide formation and to perfect and tight bodies. Contrary to the previous view, the inventor has found that the alloys can be produced by sintering, and it is proposed that they be sintered in a technical vacuum or in a protective gas, in particular hydrogen, in the presence of a capture substance. The task of the trapping material is to bind the oxygen that remains in the apparatus or that has been brought in by the protective gas before it has the opportunity to react with the sintered material.

Als Fangstoff wird Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, eine Eisen-Aluminium-Legierung mit etwa 50% Eisen und 50% Aluminium oder eine Kupfer-Aluminium-Legierung mit einem Gehalt von 30 bis 50% Aluminium, Rest Kupfer, zu verwenden. Die Eisen-Aluminium-Legierung wird vorzugsweise durch Gießen hergestellt, sie kann aber auch gesintert werden. Die Kupfer-Aluminium-Legierung desgleichen. Beide Legierungen sind so spröde, daß sie sich leicht pulvern lassen, was bei der Verwendung als Fangstoff von wesentlicher Bedeutung ist, damit die Fangsubstanz eine große Oberfläche darbietet. Die Pulverform mit mehr oder minder grobkörnigen Partikeln bietet ferner den Vorteil, daß die Fangsubstanz möglichst dicht an das Sintergut herangebracht werden kann. Unter Umständen ist es sogar zweckmäßig, die zu sinternden Körper in die Fangsubstanz einzubetten. Anstelle der genannten Fangsubstanz können auch andere Stoffe verwendet werden, sofern nur ihre oder ihrer BestandteileAluminum or an aluminum alloy is used as the catching material. It has proven particularly expedient to use an iron-aluminum alloy with about 50% iron and 50% aluminum or a copper-aluminum alloy with a content of 30 to 50% aluminum, the remainder being copper. The iron-aluminum alloy is preferably produced by casting, but it can also be sintered. The same goes for the copper-aluminum alloy. Both alloys are so brittle that they can be easily powdered, which is of essential importance when used as catching material so that the catching substance presents a large surface. The powder form with more or less coarse-grained particles also offers the advantage that the catch substance can be brought as close as possible to the material to be sintered. Under certain circumstances it is even expedient to embed the bodies to be sintered in the catch substance. Instead of the aforementioned catch substance, other substances can also be used, provided that only their constituents are used

Affinität zum Sauerstoff mindestens gleich groß oder größer ist als die Affinität des Sintergutes zum Sauerstoff.Affinity for oxygen is at least equal to or greater than the affinity of the sintered material for oxygen.

Die Herstellung der Formkörper erfolgt in der in der Metallkeramik üblichen Weise. Die Ausgangsstoffe werden fein gepulvert miteinander vermischt, zu Formlingen gepreßt und alsdann die Sinterung in der gekennzeichneten Weise durchgeführt. Es hat sich hierbei als besonders vorteilhaft erwiesen, insbesondere das Aluminium in das Pulver in Form einer Kupfer-Aluminium-Vorlegierung einzubringen, die etwa 30 bis 50% Aluminium enthält. Wie bereits erwähnt, hat diese Legierung die Eigenschaft, besonders spröde zu sein, und sie läßt sich daher ohne Schwierigkeiten auf die Pulverfeinheit bringen, die für das Vermischen und Verpressen zusammen mit den anderen Ausgangsstoffen erforderlich ist.The moldings are produced in the manner customary in metal-ceramic. The starting materials are finely powdered, mixed with one another, pressed into moldings and then sintered in the manner indicated. It has proven to be particularly advantageous here to introduce the aluminum, in particular, into the powder in the form of a copper-aluminum master alloy which contains about 30 to 50% aluminum. As already mentioned, this alloy has the property of being particularly brittle, and it can therefore be brought without difficulty to the powder fineness that is required for mixing and pressing together with the other starting materials.

Das Verpressen muß bei verhältnismäßig hohen Drucken erfolgen, damit Formlinge entstehen, die so fest sind, daß sie ohne Gefahr des Zerbröckelns oder Kantenabriebes von der Formstelle in den Sinterofen gebracht werden können. Im allgemeinen wird ein Preßdruck von etwa 4 bis 6 Tonnen je cm(exp)2 anzuwenden sein.The pressing must be carried out at relatively high pressures so that moldings are produced which are so strong that they can be brought from the molding point into the sintering furnace without the risk of crumbling or edge abrasion. In general, a compression pressure of about 4 to 6 tons per cm (exp) 2 will have to be used.

Die Herstellung der Formkörper kann aber auch derartig erfolgen, daß das Ausgangspulver mit einer plastifizierenden Flüssigkeit angerührt wird. Die breiige Masse wird in Formen gegossen und getrocknet. Als Plastifizierungsmittel können die in der Metallkeramik üblichen Stoffe verwendet werden; es ist ferner auch möglich, das Anrühren mit Wasser vorzunehmen.However, the moldings can also be produced in such a way that the starting powder is mixed with a plasticizing liquid. The pulpy mass is poured into molds and dried. The substances customary in metal ceramics can be used as plasticizers; it is also possible to make the stirring with water.

Die Herstellung der Formkörper ist somit in einfacher Weise möglich. In Sinterapparaturen gelingt es ohne weiteres, ein sogenanntes technisches Vakuum, d.h. einen Druck von etwa 2 bis 0,1 mm Quecksilbersäule zu halten. In Verbindung mit einem Fangstoff geeigneter Art wird durch diese Maßnahme selbst bei den hoch oxydationsempfindlichen Kupfer-Aluminium-Legierungen überraschenderweise sichergestellt, daß keine Oxydbildung eintritt.The moldings can thus be produced in a simple manner. A so-called technical vacuum, i.e. a pressure of around 2 to 0.1 mm of mercury column, is easily maintained in sintering apparatus. In conjunction with a suitable type of capture material, this measure surprisingly ensures that no oxide formation occurs, even with the highly oxidation-sensitive copper-aluminum alloys.

Die gesinterten Körper haben die gleichen technologischen Eigenschaften wie die gegossenen, sind jedoch frei von jeder Lunkerbildung und vollkommen dicht. Darüber hinaus sind sie im Gegensatz zu den gegossenen Legierungen spanabhebend bearbeitbar. Selbst verwickelte Formen können einwandfrei hergestellt werden, was auf dem Gußwege nicht möglich ist.The sintered bodies have the same technological properties as the cast ones, but are free from any cavitation and completely leak-proof. In addition, unlike the cast alloys, they can be machined. Even intricate shapes can be produced flawlessly, which is not possible by casting.

Die gesinterten Legierungen mit 1 bis 15% Aluminium, Rest Kupfer sind mithin hervorragend geeignet zur Herstellung von Maschinenteilen und Kontaktkörpern verwickelter Gestalt, die im Betriebe Warmfestigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen müssen.The sintered alloys with 1 to 15% aluminum, the remainder copper, are therefore excellently suited for the production of machine parts and contact bodies of an intricate shape, which must have high-temperature strength and wear resistance in operation.

Eine Legierung mit beispielsweise 10% Aluminium, Rest Kupfer gestattet durch eine Aushärtebehandlung Härten von 150 Brinell zu erzielen, während sie im ungehärteten Zustand etwa 60 Brinell aufweist. Die Sinterkörper können mithin leicht bearbeitet und hernach durch Ausscheidungshärtung vergütet werden.An alloy with, for example, 10% aluminum, the remainder copper, allows hardnesses of 150 Brinell to be achieved through a hardening treatment, while it has about 60 Brinell in the unhardened state. The sintered bodies can therefore be easily processed and then tempered by precipitation hardening.

Die Legierung kann zur Steigerung der Warmfestigkeit noch Metalloxyde, insbesondere Aluminiumoxyd oder Titanoxyd enthalten. Solche Legierungen sind mithin ebenfalls für den erwähnten Verwendungszweck besonders geeignet und werden vorzugsweise mit Gehalten von 5 bis 55% Aluminiumoxyd und Titanoxyd einzeln oder gemeinsam verwendet.The alloy can also contain metal oxides, in particular aluminum oxide or titanium oxide, to increase the heat resistance. Such alloys are therefore also particularly suitable for the purpose mentioned and are preferably used individually or together with a content of 5 to 55% aluminum oxide and titanium oxide.

Besondere Eignung für Kontakte weisen die Legierungen auf, wenn sie außerdem noch Metalle enthalten, die die elektrische Leitfähigkeit erhöhen, wie z.B. Silber oder Komponenten, die die Verschleißfestigkeit verbessern, wie beispielsweise Wolfram, Molybdän, Tantal, Niob, Titan, Chrom sowie deren Karbide. Die zusätzlichen Bestandteile können einzeln oder zu mehreren in Mengen bis zu 10% vorliegen. Kontaktkörper aus diesen Legierungen weisen gute elektrische Leitfähigkeit auf. Ferner zeichnen sie sich durch hohe Verschleißfestigkeit und Zerstäubungshärte aus, d.h. also die Kontaktkörper widerstehen dem zerstörenden Angriff des sich bildenden Schaltlichtbogens.The alloys are particularly suitable for contacts if they also contain metals that increase electrical conductivity, such as silver or components that improve wear resistance, such as tungsten, molybdenum, tantalum, niobium, titanium, chromium and their carbides. The additional constituents can be present individually or in groups in amounts of up to 10%. Contact bodies made from these alloys have good electrical conductivity. Furthermore, they are characterized by high wear resistance and atomization hardness, i.e. the contact bodies withstand the destructive attack of the switching arc that is forming.

Legierungen, die sich in der Verwendung für Maschinenteile, Kontaktkörper u.dgl. besonders bewährt haben, enthalten etwaAlloys that have proven particularly useful for machine parts, contact bodies and the like contain, for example

5% Aluminium5% aluminum

50% Aluminiumoxyd50% aluminum oxide

Rest KupferRemainder copper

oder etwaor something

2% Aluminium2% aluminum

15% Aluminiumoxyd15% aluminum oxide

Rest Kupfer.Remainder copper.

Claims

1. A process for the production of copper-aluminum alloys, characterized in that they are sintered in an industrial vacuum or in a protective gas, in particular hydrogen, in the presence of a capture material.

2. The method according to claim 1, characterized in that aluminum or an aluminum alloy is used as catch material.

3. The method according to claim 2, characterized in that an iron-aluminum alloy or copper-aluminum alloy is used as catching material, preferably with a content of 30 to 50% aluminum.

4. The method according to claim 1-3, characterized in that the aluminum is introduced into the starting powder to be pressed in the form of a copper-aluminum master alloy with 30 to 50% aluminum.

5. The method according to claim 1-4, characterized in that the starting powder for the production of the moldings is subjected to a pressure of about 4 to 6 tons per cm (exp) 2.

6. The method according to claim 1-4, characterized in that the starting powder for the production of the shaped body with a plasticizing liquid, for example water, is mixed, poured into molds and dried.

7. Use of an alloy produced according to one or more of claims 1-6 with

1 to 15% aluminum

Remainder copper

for the production of machine parts and contact bodies, in particular those of a complex shape, which must have heat resistance and wear resistance during operation.

8. Using an alloy with

1 to 15% aluminum

5 to 55% aluminum oxide and / or titanium oxide

Remainder copper

for the purpose specified in claim 7, in particular for contacts.

9. Use of an alloy which, in addition to the components mentioned in claim 7 or 8, also contains silver, tungsten, molybdenum, tantalum, niobium, titanium, chromium and their carbides, individually or in groups in quantities of up to 10% for the in claim 7 specified purpose, in particular for contacts.

10. Use an alloy from

5% aluminum

50% aluminum oxide

Remainder copper

for the purpose specified in claim 8.

11. Using an alloy from

2% aluminum

15% aluminum oxide

Remainder copper

for the purpose specified in claim 9.