Verfahren zur Herstellung von Leichtmetallkörpern und nach diesem Verfahren hergestellter Körper. Es ist bekannt, dass Aluminium und Alu miniumlegierungen besonders dank ihrem leichten Gewicht weit verbreitete Verwen dung finden. Das Beinaluminium besitzt allerdings nur geringe Festigkeit.
Im weich- geglühten Zustand beträgt die Zugfestigkeit 7-9 kg/mm' und die Brinellhärte 20 bis 2-5 kg/mm'. Durch Kaltverformung kann man die Zugfestigkeit bis auf 2'0- kg/min' und die Brinellhärte auf 40 kg/mm' erhöhen. Durch Zugabe anderer Elemente, wie Kup fer und Magnesium, kann man diese Festig keitswerte erhöhen.
Die erhaltenen Legie rungen sind zum Teil aushärtbar, d. h. man kann ihnen durch Lösungsglühen, Abschrek- ken und Lagern bei Raum- oder erhöhter Temperatur insbesondere eine erhöhte Zug festigkeit und eine erhöhte Brinellhärte ver leihen. Auf diese Weise gelingt es, Zug festigkeiten bis auf über 50 kg/mm' und Brinellhärten bis 15,0 kg/mm2 zu erreichen. In vielen Fällen, wo die Metallteile im Be trieb erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind, z.
B. über 200 C, kann mit diesen hohen Festigkeiten der Leichtmetallstücke nicht gerechnet werden, da sowohl durch Kaltbe arbeitung gehärtetes als auch durch Warm behandlung ausgehärtetes Material weich geglüht wird, wobei die Festigkeiten bis auf die entsprechenden Werte des weich- geglühten Materials herabsinken, beispiels weise bei den hochfesten Aluminiumlegie rungen der Gattung Al-Cu-Mg von 4'2, bis 58 kg!mm' Zugfestigkeit auf 1,
6-52 kg/mm'. Es. schien bis heute ausgeschlossen, leichte Aluminiumlegierungen .herzustellen, die ihre hohen Festigkeitseigenschaften durch eine Glühung auf beispielsweise 200-50'0'C nicht verlieren.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf ein Verfahren zur Herstellung von Leichtmetallkörpern mit einem spezifischen Gewicht von höchstens 5, vorzugsweise von höchstens 3, einer Zugfestigkeit von min de3tens 30 kg/mm' und einer Brinellhärte von mindestens & 0 kg@mm' auch im geglüh- ten Zustand. Diese Metallkörper werden durch Zusammenpressen und Sintern von Leichtmetallpulver, z. B.
Pulver aus Alumi nium oder Aluminiumlegierung, von einer solchen Feinheit hergestellt, dass bei min destens 50 Gewichtsprozent der Pulverteil chen wenigstens eine Dimension (bei Blätt chen z. B. die Dicke) weniger als 2 ;ic be trägt. Die Erfindung bezieht sich auch auf einen nach diesem Verfahren hergestellten Leichtmetallkörper.
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 z.
B. Pulver aus reinem Aluminium, einem Metall, welches durch Kaltbearbeitung eine Zugfestigkeit von höch stens ungefähr 2,0 kgimm2 erhalten kann, wobei dieser Wert auf unter 10 kg/mm' durch Weichglühen herabsinkt, zu festen Metallkörpern verarbeitet werden kann,
die eine Zugfestigkeit von beispielsweise 35 kg/ mm2 haben und diese auch nach einem Glü hen bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes, z. B. 600 , praktisch bei behalten. Das Aluminiumpulver kann dabei auf irgendeine geeignete Weise hergestellt worden sein, z.
B. durch Stampfen oder in der Kugelmühle. Die überraschende Tat sache, dass Reinaluminiumpulver Metallkör per hoher Zugfestigkeit und Härte liefern kann, ist möglicherweise auf den Einfluss der Teilchengrösse bezw. des das Pulver be deckenden Ogydfilms zurückzuführen. Das Aluminium kann auch fremde Elemente ent- halten, z. B.
Kupfer, Magnesium und Sili zium, mit andern Worten, man kann auch Pulver aus Aluminiumlegierungen benützen; die fremden Elemente können auch in ele mentarer Form oder in Verbindung unterein- and@er, oder in Form von pulverisierten, Alu minium enthaltenen Vorlegierungen dem Aluminiumpulver zugesetzt werden und sich mit diesem während des Sinterns durch Dif fusion legieren.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dem Leichtmetallpulver andere Stoffe zuzu setzen, solange das spezifische Gewicht von 5, vorzugsweise von 3, nicht überschritten und die Zugfestigkeit von 30 kg/mm\ sowie die Brinellhärte von 80 kg/mm\ im geglüh ten Zustand nicht unterschritten werden.
Das Verfahren lässt sich auf verschiedene Weise durchführen, z. B.: a) 1. Kaltvcrpressen; 2. Sintern; 3. Warmnachpressen. h) 1. Kaltvorpressen; 2. Warmnachpressen und Sintern. c) Warmpressen und Sintern. Selbstverständlich können andere Arbeits gänge eingeschaltet werden.
Beim Kaltvorpressen wendet man zweck- e mässig einen Druck von über 2 t./cm' an. Beim Warmpressen kann man bis zu dem für die Presswerkzeuge noch zulässigen Druck gehen.
Beim Warmpressen und Sintern wird die Temperatur zweckmässigerweise so- hoch sein, dass die gewünschte Beschaffenheit des Leichtmetallkörpers in wirtschaftlich trag barer Zeit erhalten wird. Anderseits darf ,die Temperatur nicht so hoch sein, dass schliesslich ein Gussstück statt ein Sinter körper erhalten wird, denn Gussstücke kön nen die angegebenen hohen Festigkeiten nicht erreichen. Die Temperatur soll z. B. mit Vorteil mindestens 400 C betragen; ein sehr günstiger Wert ist 5,50-600, C.
Die Dauer der Pressung und des Sinterns kann je nach Temperatur und nach der ge wünschten Beschaffenheit des Leichtmetall körpers in weiten Grenzen schwanken. Je höher die Temperatur, 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.
Das Warmpressen kann von einer beson deren Formgebung begleitet sein, so dass Körper erhalten werden, die keiner Nach bearbeitung oder einer nur geringen Nach bearbeitung bedürfen.
Beispiel <I>1:</I> Reinaluminiumpulver, dessen sämtliche Teilchen mindestens in einer Dimension klei ner a116 1 A waren, wurde kalt vorgepresst und anschliessend bei 600 C unter einenn Druck von 6 t/cm2, der 1 Min. aufrecht erhalten wurde, zu festen Metallkörpern ge presst. Diese wiesen folgende Eigenschaften auf:
EMI0002.0058
Einige auf diese Weise erhaltenen Kör per wurden 48 Std. bei 6310 C geglüht und < . nach dem Abkühlen wieder geprüft.
Die Festigkeiten waren dieselben wie vor dem Glühen. . - Bei andern in bleicher Weise hergestell ten Körpern wurde nach Glühungen bei 2100 und 400 C während 28 Tagen ebenfalls keine Änderung der Festigkeiten festgestellt.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sich die nach dem Verfahren gemäss der Erfindung hergestellten Leiehtmetallkörper bei erhöhter Temperatur, z. B. 450 C, warm verformen lassen, z. B. durch Strang "pressen.
Eine solche nachträgliche Warmverformung hat auch den Vorteil, dass infolge der starken Durohknetung die Dichte des Körpers in den meisten Fällen noch erhöht wird, und zwar auf einen Wert, der ohne Verformung nur durch übermässig lange Warmpressung er zielt werden kann.
Beispiel <I>2:</I> Durch Kaltvorpressen und anschliessendes Warmpressen (bei 600 C) von Reinalumi- niumpulver von einer solchen Feinheit, dass bei allen Pulverteilchen mindestens eine Di- mension weniger als 1;r,@ betrug, wurden unter einem Druck von 6 t/cm' während etwa 1 Min. Körper von einer Dichte von 2,? erhalten. Diese Dichte kann durch län geres Pressen bei hoher Temperatur bis prak- .
tis.ch auf 2,7 (dem spezifischen Gewicht des Aluminiums) erhöht werden, doch wird das Erzeugnis dadurch erheblich verteuert. Wird aber der Presskörper z. B. in der Strang presse zu einer Stange verformt, so kann die höhere Dichte in verhältnismässig kurzer Zeit erreicht werden, so dass das. Erzeugnis in bedeutend wirtschaftlicher Weise her gestellt wird als .durch längeres Warmpres sen.
So wurden einige .der nach diesem Bei spiel erhaltenen Körper bei 450 C durch Strangpressen durch eine Matrize von 15 mm Durchmesser auf eine Dichte von 2-,7 ge bracht; gleichzeitig wurde auch die Dehnung verbessert, während Streckgrenze, Zugfestig- k eit und Brinellhärte praktisch unverändert blieben.
Die Festigkeiten waren dann fol gende:
EMI0003.0038
Einige der nach Beispiel 2 erhaltenen Körper wurden nach dem Strang-pressen während verschieden langer Zeit Temperatu ren von 200, 400 und 630 C ausgesetzt, ohne Mass eine Änderung der Festigkeiten beob achtet werden konnte. Zur Feststellung der Verhältnisse nach einer Kaltverformung wurden ferner einige in ähnlicher Weise wie im. Beispiel 2 hergestellte Körper mit Hilfe einer Ziehdüse um etwa 7 % kalt herunter gezogen und dann 14 Std. bei 500 C geglüht.
Es wurden an einer Stange folgende Festig- keiten uemessen:
EMI0003.0046
stranggepresst <SEP> kaltgezogen <SEP> geglüht
<tb> Streckgrenze <SEP> kg <SEP> /mm= <SEP> 25,7 <SEP> 34,3 <SEP> 28,9
<tb> Zugfestigkeit <SEP> 3,53 <SEP> 37,2 <SEP> 37,0
<tb> Dehnung <SEP> (d <SEP> 10) <SEP> 5,0% <SEP> 1,0% <SEP> 2,5%
<tb> Brinellhärte <SEP> kg <SEP> /mm' <SEP> 85 <SEP> 9.1 <SEP> 911 Wie ersichtlich, bewirkt eine Kaltreckung ein leichtes. Ansteigen von Streckgrenze und. Zugfestigkeit, während die Dehnung zurück geht.
Die darauffolgende. Glühung ver- ursaeht nur eine Kristallerholung, nicht aber eine Rekristallisation, was durch rönt genographische Untersuchungen bestätigt wurde.
Die Leichtmetallkörper nach der Erfin dung haben nicht nur eine höhere Streck- grenze, eine höhere Zugfestigkeit und eine höhere Härte bei Raumtemperatur, sondern auch bei erhöhter Temperatur, wie... z. B. aus folgender Zahlentafel hervorgeht:
EMI0004.0003
Es ist noch zu erwähnen, dass die erfin dungsgemässen Leichtmetallkörper eine ver hältnismässig hohe elektrische und ther- mische Leitfähigkeit im Vergleich zu Alu miniumlegierungen mit ähnlichen Fertig keiten bei Raumtemperatur besitzen.
Ausser dem liegt der Wärme-Ausdehnungs-Koeffi- zient vorwiegend an der untern Grenze der für Aluminium-Kolben-Legierungen gelten den Werte.
Durch Zusatz von bestimmten Fremd metallpulvern zu Aluminiumpulver oder durch Verwendung von pulverisierten Alumi niumlegierungen kann man nach dem erfin dungsgemässen Verfahren LeichtmetaltIlkörper. erhalten, .die sich durch Wärmebehandlung (Glühen, Abschrecken und gegebenenfalls Warmauslagern) aushärten (vergüten) las sen, wobei für die Streckgrenze, die Zug festigkeit und die Bminellhärte Werte erzielt werden,
welche die der aus Reinaluminium- pulver hergestellten Körper übersteigen.
Die gleichzeitige Verwendung von Pul vern verschiedener Zusammensetzung ermög licht die Herstellung von Körpern mit un gleichmässig verteilten Eigenschaften, was beispielsweise bei Kolben für Brennkraft- masohinen oft erwünscht ist, da der Kolben boden andern Beanspruchungen unterworfen wird als der Kolbenmantel.
Eine Erhöhung des Ogydgehaltes des Leichtmetallpulvers bewirkt eine Erhöhung der Härte, wogegen Streckgrenze und Zug festigkeit abnehmen. Man hat es z. B. in der Hand, durch Verwendung von Aluminium- pulvern verschiedenen Oxydgehaltes Press- körper herzustellen, die eine härtere Ober fläche und einen zugfesteren Kern besitzen. Man kann auch z. B.
Pulver mit einlheit- liohem Oxydgehalt verwenden und: den vor gepressten Körper durch geeignete Behand lung im Oberflächenbereich an Oxyd anrei- chexn.
Das Leichtmetallpulver kann trocken be nützt werden. Es kann aber vorteilhaft sein, ,es mit einem flüssigen Stoff, z. B. mit Wasser, anzurühren und in teigiger Form der Presse zuzuführen. Es ist meistens nicht notwendig, die Verarbeitung in einer beson- deren Atmosphäre durchzuführen, doch kann ,die Anwendung einer solchen unter Umstän den zweckmässig sein, z. B. wenn man dem Oberflächenbereich des Körpers abgeänderte Eigenschaften erteilen will.
Um eine weiter gehende Oxydation zu verhindern, kann es zweckmässig sein, den Körper unter einer Schutzgasatmosphäre, z. B. von Wasserstoff oder Stickstoff, herzustellen, insbesondere zu sintern und zu pressen. Es ist selbstver ständlich möglich, die Herstellung des Leichtmetallkörpers ganz oder teilweise bei Unterdruck oder bei Überdruck durebzu- führen.
Die nach dem Verfahren gemäss der Er findung hergestellten Metallkörper eignen sich z. B. vorzüglich für solche Zwecke, bei welchen hohe Festigkeiten verlangt werden und hohe Temperaturen herrschen, z. B. für Kolben von Brennkraftmasehinen und Kol benringe.