Metallkeramischer Gegenstand und Verfahren zu dessen Herstellung-- Ein Merkmal der bekannten metallkerami schen Gegenstände, welche in der nachfolgen den Beschreibung einfachheitshalber als Press- körper bezeichnet werden, ist, dass ihr Ge füge je nach dem bei der Verdichtung des Körpers verwendeten Druck und ebenso ab hängend von einer gegebenenfalls nach dem Sintern vorgenommenen Prägung zwecks Ver dichten des Gegenstandes mehr oder weniger porös ist. Infolge dieser Porosität ist nicht zit erwarten, dass sie die gleiche Festigkeit und die gleichen andern mechanischen Eigen schaften aufweisen wie aus dem gleichen Me tall hergestellte, gegossene Metallkörper.
Er fahrungsgemäss sind aus Elementen beste hende Pulver vorzuziehen, weil mit wenigen Ausnahmen, wie z. B. Messingpulver, welches eine Kupfer-Zink-Legierung enthält, die aus Legierungen bestehenden Pulver derart hart sind, dass es schwierig ist, sie zu formen oder aus ihnen Presskörper herzustellen. Um ge wünschte Eigenschaften zu erzielen, welche mit aus einem einzelnen Element bestehenden Pulvern unerreichbar sind, wurden bis jetzt Gemische, bestehend aus verschiedenen aus einzelnen Elementen gebildeten Metallpul vern, hergestellt und wurden solche Gemische nachträglich verdichtet und gesintert, wobei dies in gewissen Fällen eine praktisch brauch bare Methode darstellte.
Im Falle eines Kup- fer-Zinn-Gemisches, schmilzt -das Zinn wäh rend der Sinterung und das geschmolzene Me tall diffundiert in das Kupfer, wobei eine bauchbare Legierung gebildet wird. Es wur- den ebenfalls aus Eisen und Kohlenstoff be stehende Gemische verwendet zwecks Verbes serung der physikalischen Eigenschaften des Presskörpers, verglichen mit reinem Eisen, doch ist dieses Vorgehen schwieriger, weil die Diffusion des Kohlenstoffes in festem Zu stand erfolgt.
Im Falle anderer Legierungs metalle wie Nickel oder Chrom, deren Zugabe zum Eisen wünschenswert ist, um die physi kalischen Eigenschaften des Endproduktes wesentlich zu verbessern, hat es sich heraus gestellt, dass die Herstellung von legierten Presskörpern wegen der sehr hohen Tempe raturen und langen Sinterzeiten, die erforder lich sind, um einigermassen verbesserte Ergeb nisse zu erzielen, unwirtschaftlich ist. .
Es wurde festgestellt, dass, wenn Legie rungselemente in Form eines befriedigenden Überzuges auf die das Grundmetall bildenden Pulverteilchen aufgebracht. werden, die Diffu sion bedeutend beschleunigt wird, weil zwischen dem Grundmetall und dem Legierungselement oder den Legierungselementen eine innige Be rührung besteht, und es wurden Versuche unternommen, solche mit Überzügen versehene Pulver herzustellen. Bei einem solchen Ver such handelt es sich um die Elektroplättie- rung der Teilchen, und es wurden auch Ver suche unternommen, Teilchen durch chemi schen Niederschlag mit einem Überzug zu ver sehen.
Bis jetzt lieferte jedoch keine dieser Methoden ein befriedigendes Ergebnis, weil die Elektroplattierung kostspielig ist und weil es schwierig ist, einen befriedigenden gleich- mässigen Überzug auf den Teilchen zu erzielen und weil es beim Überziehen durch chemische Ausfällung schwer ist, einen guten Überzug zu erzeugen, welcher an den Pulverteilchen genügend haftet, wobei die Schwierigkeit auf die relativ poröse Natur des Überzuges und auf andere Faktoren zurückzuführen ist.
In keinem der genannten Fälle besitzt der Überzug das Haftvermögen und die innige Bindung; die notwendig sind, um ein Pulver mit einem vollständig befriedigenden Über zug für die weitere Behandlung, Verdichtung und Sinterung, welche für die metallkerami sche Herstellung von Gegenständen kennzeich nend sind, zu erhalten. Infolge der Natur des durch Plattierung allein erzielbaren Überzuges, waren die erreichten Ergebnisse, einschliess lich die nachträgliche metallurgische Behand lung, allgemein nur mit Ergebnissen ver gleichbar, welche durch die Verwendung von aus verschiedenen Metallpulvern bestehenden mechanischen Gemischen erzielt werden kön nen.
Die Erfindung betrifft nun einen metall keramischen Gegenstand, der aus einem Grundmetall -Lind einem Überzugsmaterial für die Teilehen des Grundmetalles besteht und dadurch gekennzeichnet ist, dass das Über zugsmaterial wenigstens teilweise im Grund metall diff-L-mdiert ist, dass es in den inter- kristallinen Korngrenzen des den Gegenstand bildenden Materials vorhanden ist, und dass die Verteilung des überzugsmaterials derart. ist, dass Teilchenkerne aus unlegiertem Grundmetall vorhanden sind.
Die erfind-Ltngsgemässen Presskörper wei sen, wie sich zeigt, verbesserte physikaliche Eigenschäften auf, die wesentlich besser sind als die Eigenschaften, welche mit Pulver mischungen erzielbar sind.
Das Verfahren zur Herstellung eines me tallkeramischen Gegenstandes ,gemäss der Er findung ist dadurch gekennzeichnet, dass man die Teilchen eines Metallpulvers mit einem aus einem andern Metall bestehenden Überzug versieht, dass man zwecks Verstärkung der Bindung zwischen dem Überzugsmetall und dem Grundmetall der einzelnen Teilchen, das mit dein Überzug versehene Pulver einer Wärmebehandlung unterwirft, dass man das plattierte Pulver unter hohem Druck verdich tet und den Presskörper sintert.
Die Herstellung solcher plattierter Press- pulver ist Gegenstand des Schweizer Patentes Nr.281431 und dort eingehend beschrieben.
In den meisten Fällen werden die physi kalischen Eigenschaften eines Metalles, ins besondere die mechanische Festigkeit, der Korrosionswiderstand usw. durch die Natur der interkristallinen Struktur bestimmt.
Bei Ver wendung eines Pulvers, in welchem das Legie rungsmaterial nur zum Teil in den einzelnen Körnern oder Teilchen des Pulvers diffun diert ist, ist es möglich, durch gewöhnliche metallkeramische Methoden Presskörper zu erzeugen, die durch eine interkristalline Struktur gekennzeichnet sind, welche eine be- trächtliehe Menge Legierungsmaterial enthält, wobei die Körper bedeutend verbesserte phy- sikalisehe Eigenschaften aufweisen.
Um die verbesserte Natur des erfindungs gemässen Gegenstandes zu veranschaulichen und um den Unterschied zwischen diesem und den aus Elementen oder aus mechanischen Gemischen von aus verschiedenen Elementen bestehenden Pulvern hergestellten Gegenstän den aufzuzeigen, dienen die .folgenden An gaben.
Man vergleicht vorerst unter dem Mikro skop einen Pressteil, welcher aus einem mecha- nischen Gemisch von 98 % Eisenpulver und 2 % Nickelpulver,
durch einen Druck von 7875 kg/cm2 und durch nachträgliche Sinte- rung in einer Wasserstoffatmosphäre bei 1093 C während einer Stunde hergestellt worden ist, mit einem in gleicher Weise her gestellten Pressteil, der aus einem Pulver mit 98 % Eisen und 2 % Nickel besteht,
wobei das Pulver jedoeh nach dem Verfahren des Schweizer Patentes Nr. 281431 hergestellt wurde. Beide Proben wurden auf die gleiche Weise vorbereitet, indem sie zuerst mit 10/0 Salpetersäurelösung in Alkohol geätzt und mit dem Reagens von Marbles (4 g Kupfer sulfat in 20 cm3 Salzsäure und 20 eins Was ser) gefärbt wurden.
Bei 200 faeher linearer Vergrösserung erscheint das geätzte Visen als dunkles Material, währenddem das Nickel hell erscheint, Ein Vergleich zeigt den sehr grossen Un terschied der Struktur der zwei Körper und die relative Verteilung des Legierungsmetal- les. Im Falle des aus mechanisch gemischten Pulvern erzeugten Presskörpers ist es klar, dass die Nickelteilchen wesentlich als solche bleiben mit verhältnismässig geringer Diffu sion oder Mischung an den Berührungsstellen zwischen den zwei Stoffen.
Gegensätzlich hierzu zeigt der erfindungsgemässe Körper klar die gleichmässige und erhebliche Diffu sion des Legierungsmaterials in der Eisen masse.
Obwohl zwecks Veranschaulichung die oben besprochenen Beispiele sich auf die Ver wendung nickelplattierter Pulver beschränken, ist die Anwendungsmöglichkeit der Erfin dung nicht auf Nickelüberzüge begrenzt. Ver- besserte Ergebnisse können auch mit andern Metallkombinationen erzielt werden, und es wurden z. B. küpferplattierte Pulver geprüft, wobei festgestellt wurde, dass die damit.her- gestellten Gegenstände verbesserte Eigen schaften besitzen.
Man kann auch. Pulver verwenden, deren Grund- oder Hauptmetallpulver mit einem Stoff überzogen ist, welcher selber eine Legie rung darstellt, wie beispielsweise eine Legie rung von Kupfer und Nickel; die daraus her gestellten Presskörper zeigten ebenfalls ver besserte Eigenschaften. Verwendet man ein mit einem Nichteisenmetall überzogenes Eisen pulver und setzt vor dem Pressen Graphit zu, so enthält der Presskörper an den Korngren zen Eisenearbid.
Wie bereits erwähnt, sind die -physikali schen Eigenschaften der erfindungsgemässen Presskörper bedeutend besser, was aus der nachstehenden Tabelle ersichtlich ist.
EMI0003.0016
Pulver <SEP> Behandlung <SEP> Zugfestigkeit
<tb> <U>kglcm</U>
<tb> 1. <SEP> Eisenpulver, <SEP> Korngrösse <SEP> 100 <SEP> Verdichtet. <SEP> unter <SEP> einem <SEP> Druck
<tb> von <SEP> 47225 <SEP> kg/cm2, <SEP> gesintert <SEP> eine
<tb> Stunde <SEP> bei <SEP> 1093<B>0</B> <SEP> C <SEP> 1109
<tb> 2. <SEP> Eisenpulver, <SEP> Korngrösse <SEP> 100 <SEP> Verdichtet <SEP> unter <SEP> einem <SEP> Druck
<tb> mit <SEP> 2 <SEP> lo <SEP> Nickelpulver <SEP> mechanisch <SEP> von <SEP> 4725 <SEP> kg/em2, <SEP> gesintert <SEP> eine
<tb> gemischt. <SEP> Stunde <SEP> bei <SEP> 1093 <SEP> C <SEP> 1109
<tb> 3.
<SEP> Eisenpulver, <SEP> Korngrösse <SEP> 100 <SEP> Verdichtet <SEP> unter <SEP> einem <SEP> Druck
<tb> mit <SEP> 2 <SEP> % <SEP> Nickelüberzug <SEP> von <SEP> 4725 <SEP> kg/cm2, <SEP> gesintert <SEP> eine
<tb> Stunde <SEP> bei <SEP> 1093<B>0</B> <SEP> C <SEP> 1617
<tb> 4. <SEP> Eisenpulver, <SEP> Korngrösse <SEP> 100 <SEP> Verdichtet <SEP> unter <SEP> einem <SEP> Druck
<tb> mit <SEP> 1 <SEP> % <SEP> Graphitpulver <SEP> mechanisch <SEP> von <SEP> 4725 <SEP> kg/cm2, <SEP> gesintert <SEP> eine
<tb> gemischt <SEP> a <SEP> Stunde <SEP> bei <SEP> 1093 <SEP> C <SEP> 2149
<tb> 5.
<SEP> Eisenpulver, <SEP> Korngrösse <SEP> 100 <SEP> Verdichtet <SEP> -unter <SEP> einem <SEP> Druck
<tb> mit <SEP> 2 <SEP> % <SEP> Nickelpulver <SEP> und <SEP> von <SEP> 4725 <SEP> kg/cm2, <SEP> gesintert <SEP> eine
<tb> 1% <SEP> Graphitpulver <SEP> mechanisch <SEP> Stunde <SEP> bei <SEP> 1093 <SEP> C <SEP> 2198.
<tb> gemischt
<tb> 6. <SEP> Eisenpulver, <SEP> Korngrösse <SEP> 100 <SEP> Verdichtet <SEP> unter <SEP> einem <SEP> Druck
<tb> mit <SEP> Überzug <SEP> von <SEP> 2 <SEP> % <SEP> Nickel, <SEP> von <SEP> 4725 <SEP> kg/cm2, <SEP> gesintert <SEP> eine
<tb> mechanisch <SEP> gemischt <SEP> mit <SEP> Stunde <SEP> bei <SEP> 1093 <SEP> C <SEP> 3234
<tb> 1 <SEP> /o <SEP> Graphitpulver
EMI0004.0001
Pulver <SEP> Behandlung <SEP> Zugfestigkeit
<tb> kg/cm
<tb> 7.
<SEP> läisenpulver, <SEP> Korngrösse <SEP> 100 <SEP> Verdichtet <SEP> unter <SEP> einem <SEP> Druek
<tb> mechanisch <SEP> gemischt <SEP> mit <SEP> von <SEP> 4725 <SEP> kg/em2, <SEP> gesintert
<tb> 4 <SEP> % <SEP> Kupferpulver <SEP> 45 <SEP> Minuten <SEP> bei <SEP> 1100 <SEP> C
<tb> in <SEP> trockenem <SEP> Wasserstoff <SEP> 1540
<tb> B. <SEP> Eisenpulver, <SEP> Korngrösse <SEP> 100 <SEP> Verdichtet <SEP> unter <SEP> einem <SEP> Druck <SEP> mit <SEP> Kupferüberzug <SEP> 4 <SEP> /o <SEP> von <SEP> 4725 <SEP> kg/cm2, <SEP> gesintert
<tb> 45 <SEP> Minuten <SEP> bei <SEP> 1100 <SEP> C
<tb> in <SEP> trockenem <SEP> Wasserstoff <SEP> 2408
<tb> 9.
<SEP> Eisenpulver, <SEP> Korngrösse <SEP> 100 <SEP> Verdichtet <SEP> unter <SEP> einem <SEP> Druck
<tb> mit <SEP> mechanischem <SEP> Gemisch <SEP> von <SEP> von <SEP> 4725 <SEP> kg/cm2, <SEP> gesintert
<tb> 4 <SEP> % <SEP> Kupferpulver <SEP> und <SEP> 45 <SEP> Minuten <SEP> bei <SEP> 1100 <SEP> C
<tb> 1 <SEP> % <SEP> Graphitpulver <SEP> in <SEP> tr6ckenem <SEP> Wasserstoff <SEP> 3290
<tb> 10.
<SEP> Eisenpulver, <SEP> Korngrösse <SEP> 100 <SEP> Verdichtet <SEP> unter <SEP> einem <SEP> Druck
<tb> mit <SEP> Überzug <SEP> von <SEP> 4 <SEP> 0/a <SEP> Kupfer, <SEP> von <SEP> 4725 <SEP> kg/cm2, <SEP> gesintert
<tb> mechanisch <SEP> gemischt <SEP> mit <SEP> 45 <SEP> Minuten <SEP> bei <SEP> 1100 <SEP> C
<tb> 1 <SEP> % <SEP> Graphitpulver <SEP> in <SEP> trockenem <SEP> Wasserstoff <SEP> 4116
<tb> <B>11.</B> <SEP> Eisenpulver, <SEP> Korngrösse <SEP> 100 <SEP> Verdichtet <SEP> unter <SEP> einem <SEP> Druck
<tb> mit <SEP> Überzug <SEP> von <SEP> 4 <SEP> % <SEP> Kupfer <SEP> von <SEP> 4725 <SEP> kg/cm2, <SEP> gesintert
<tb> -und <SEP> nachträglich <SEP> mit <SEP> 2 <SEP> % <SEP> Nickel <SEP> 45 <SEP> Minuten <SEP> bei <SEP> 1100 <SEP> C
<tb> in <SEP> trockenem <SEP> Wasserstoff <SEP> 2373
<tb> 12.
<SEP> Eisenpulver, <SEP> Korngrösse <SEP> 100 <SEP> Verdichtet <SEP> unter <SEP> einem <SEP> Druck
<tb> mit <SEP> Überzug <SEP> von <SEP> 4 <SEP> % <SEP> Kupfer <SEP> "von <SEP> 4725 <SEP> kg/cm2, <SEP> gesintert
<tb> und <SEP> nachträglich <SEP> mit <SEP> 2 <SEP> % <SEP> Nickel <SEP> 45 <SEP> Minuten <SEP> bei <SEP> 1100 <SEP> C
<tb> mit <SEP> 1 <SEP> % <SEP> mechanisch <SEP> hinzugefügten <SEP> in <SEP> trockenem <SEP> Wasserstoff <SEP> 3204
<tb> Graphitpulver Aus der obigen Tabelle, in der die Korn grösse als US-Siebnummer angegeben ist, geht hervor, dass im Fall von Presskörpern mit.
Nickel durch eine mechanische Zugabe von 2 % Nickelpulver zum Eisenpulver keine Ver- besserung der physikalischen Eigenschaften, insbesondere der Zugfestigkeit erreicht wird, im Vergleich mit reinem Eisenpulver,
wäh renddem die Festigkeit iun annähernd 50 0/0 vergrössert wurde durch einen Überzug von 2 % Nickel. Währenddem eine mechanische Zugabe von 2% Nickelpulver und 1% Graphit keine wesentliche Verbesserung hervorrufen im Vergleich mit einer mechanischen Mischung von Eisenpulver und Graphit allein,
erzeugt die Zugabe von 1% Graphit zu dem erfin- dungsgemäss mit 2 % Nickel plattierten Eisen- pulver eine annähernd 50 % betragende Ver- besserung
der Festigkeit. Eine mehr oder weniger ähnliche Verbesserung der physikali schen Eigenschaften im Fall von kupferplat- tierten Pulvern verglichen mit mechanisch ge mischten Pulvern geht aus dem Vergleich der Versuche 7 und 8, 9 und 10 der obigen Tabelle hervor.
Wie aus den Versuchen 11 und 12 ersichtlich, kann eine hohe Festigkeit ebenfalls erzeugt werden durch Plattierung von Eisenpulvern mit Legierungen, welche aus Kupfer- und Nickelüberzügen gebildet wer den, obwohl der Vergleich der Versuche 11 und 12 mit den Versuchen 8 und 10 zeigt, dass eine höhere Festigkeit mit nur mit Kup- ferüberzügen versehenen Pulvern erzielt wer den kann als mit Pulvern, die mit Überzügen aus Kupfer und Nickel versehen sind.
Kup- fer-Nickel-Legierungen liefern jedoch viel bessere Erzeugnisse als diejenigen, die mit einem Kupferüberzug allein versehen sind, und zwar vom Standpunkt des Korrosions widerstandes, und aus diesem Grund sind in vielen Fällen erstere wünschenswerter, obwohl sie nicht die hohe Festigkeit besitzen, die sonst erzielt werden könnte.
Es ist zu bemerken, dass die in der obigen Tabelle enthaltenen Zugfestigkeiten sich auf Presskörper beziehen, die einem Druck von nur 4725 kg/cm2 ausgesetzt worden sind, was die Tatsache hervorheben soll, dass eine ver- liältnismässig hohe Zugfestigkeit mit mässigen Drücken erzielt werden kann.
Werden höhere Verdichtungsdrücke wie 7875 kg/cm2 ange wendet, so ist eine noch höhere Zugfestigkeit zii erwarten, und es wurde durch Versuche beispielsweise festgestellt, dass das unter Ver such 6 der Tabelle erwähnte Material mit einer Zugfestigkeit von 3234 kg/em2 eine Zugfestig keit von 4655 kg/cm2 aufweist, falls es mit 7875 kg/em2 verdichtet und gesintert wird. Ebenfalls erhöht sich die Zugfestigkeit des unter Versuch 10 erwähnten Materials auf 6440 kg/cm2 falls es unter 7875 kg/em2 ver dichtet und gesintert wird.