(57)【要約】  アルミニウム含有材料を用いて構造部材を製造する場合における欠点が回避される方法を提供するとの課題を解決するため、構造部材にアルミニウム合金を添加するための方法であって、アルミニウム合金の添加がアルミニウム含有材料の付加によって行われ、その際、上記構造部材は少なくとも１つのアルミニウム含有材料吸収材で覆われ、こうして形成されたユニットが焼結に付される方法が提案される。好ましくは上記構造部材に少なくとも１つの金属フリースが巻き付けられ、その際、上記金属フリースと上記構造部材との間にアルミニウム箔が配置される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造部材にアルミニウム合金を添加するための方法であって、アルミニウム合金の添加はアルミニウム含有材料の付加によって行われ、その際、上記構造部材は少なくとも１つのアルミニウム含有材料吸収材で覆われ、こうして形成されたユニットが焼結に付される方法。
【請求項２】
アルミニウム含有材料吸収材として、フリース状に形成された材料が使用されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
アルミニウム含有材料吸収材として、金属および／またはセラミックからなるフリースが使用されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
焼結工程は、アルミニウム含有材料の気化温度以上で行われることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
合金添加温度は、少なくとも１０００℃であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
構造部材は、焼結部材および／または非焼結部材、特にプレス加工品、フリース、繊維マットおよび圧粉体を含むグループから選択されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
使用される構造部材は、基本的にアルミニウムを含有しない部材またはアルミニウム含有量が少ない部材であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
アルミニウム含有材料は、箔の形、粉末、線材、織物および／または繊維として使用されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
アルミニウム含有材料は、純アルミニウムからなることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
アルミニウム含有材料を先ず構造部材と接触させ、続いて、上記構造部材が少なくとも１つのアルミニウム含有材料吸収材で覆われることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
アルミニウム含有材料は先ずアルミニウム含有材料吸収材に付加され、続いて、上記アルミニウム含有材料吸収材によって構造部材が覆われることにより上記アルミニウム含有材料を上記構造部材と接触させることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
アルミニウム含有材料は、構造部材とアルミニウム含有材料吸収材との間の領域に配置されることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
構造部材に少なくとも１つの金属フリースが巻き付けられ、その際、上記金属フリースと上記構造部材との間にアルミニウム箔が配置されることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の方法によって製造された構造部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は構造部材にアルミニウム合金を添加するための方法およびこの方法によって製造された構造部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウムは、その特別な性質によって、特に航空宇宙産業ならびに自動車産業において好ましい材料である。アルミニウムまたはアルミニウム含有材料から製造された構造部材は、一般的な原材料、たとえば鋳鉄から製造された構造部材に比較して軽量である。重量の軽減により、たとえば自動車では、燃焼効率の向上ならびに燃料消費の低減、そして排ガス値の改善を達成することができる。たとえば、エンジンおよびトランスミッション製作では、従来の鉄鋼および鋳鉄部品がアルミニウム製部品またはアルミニウムを使用して製造された部品に徐々に取って代わられている。鉄鋼および鋳鉄部品とアルミニウム製部品との組み合わせに際しては、材料の物理的特性の相違に起因する問題が生ずるため、できるだけ多くの鉄鋼および鋳鉄部品を、アルミニウムを使用して製造された部品に置き換えることが望ましい。というのも、こうすることにより、使用材料の熱膨張率、熱伝導率、弾性特性等の相違に起因する問題が回避されるからである。アルミニウムを使用して製造された均質化された構造部材を使用することにより、とりわけ、いっそう高い燃焼効率が達成される。
【０００３】
多くのエンジン、クラッチおよびトランスミッションなどの構造部材が粉末冶金法によって製造されていることから、アルミニウムを使用した構造部材を粉末冶金法によって製造することができる提案には大きな関心が寄せられている。アルミニウムを使用した構造部材を粉末冶金法によって製造する場合の欠点は、特に、アルミニウムとその合金は空気に接触すると極めて安定した金属酸化物の被膜を生じやすいという点である。これによって、特に比表面積が増える。使用されるアルミニウム含有材料を覆っている酸化膜により、焼結に必要な粉末使用材料の粒子の拡散が妨げられる。さらに、アルミニウム含有材料から製造された構造部材は鉄鋼および鋳鉄から製造された構造部材に比べて強度値が低下しており、特に硬度が低い。加えてさらに、アルミニウム含有原材料を覆っている酸化膜は一般的なプレス工程において粒子相互の低温溶融を妨げる。
【０００４】
代表的なアルミニウム含有鋼は、たとえばドイツ材料番号1.4767を有する鋼である。ただし、この種のアルミニウム含有鋼を使用する場合には、特に、この材料が上記したアルミニウムの高い酸素親和性によって焼結工程において好ましくない挙動を示す点が欠点である。また、この種のアルミニウム含有鋼の水アトマイズによる粉体製造は経済的な観点から見て受け入れられない。もしもこの種のアルミニウム含有鋼が繊維として使用され、したがって、本来の焼結の前に線引き工程が先行する場合には、アルミニウム酸化物の被膜はさらに、使用される絞り型の大幅な摩耗を引き起こすことになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
それゆえ、従来の技術において知られている欠点を伴うことなく、アルミニウム含有構造部材を製造することができる方法を提案することが要望されている。したがって、本発明の目的は、この種の構造部材にアルミニウム合金を添加する場合において上記した欠点のない方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題は、本発明により、アルミニウム合金の添加がアルミニウム含有材料の付加によって行われ、その際、構造部材は少なくとも１つのアルミニウム含有材料吸収材で覆われ、こうして形成されたユニットが焼結されるという、構造部材にアルミニウム合金を添加するための方法によって達成される。本発明において、本発明による方法に関する焼結とは、特に、アルミニウムが気相に変換されて少なくとも一部のアルミニウムが構造部材の表面に付着し、続いて当該構造部材内へのアルミニウムの拡散が実現される十分な温度が達成されることである。こうして、本発明による方法により、特に、表面層のアルミニウム含有量が増加した構造部材が得られる。本発明による方法を実施するための前提条件は、いうまでもなく、アルミニウムが付着されるべき構造部材が、この構造部材内へのアルミニウムの拡散のために必要とされる温度において、構造部材自体が液化状態に変化することがないということである。アルミニウムが付着されるべき構造部材自体はアルミニウムを含有していてもよい（構造部材のアルミニウム含有量が少ないこと、特にアルミニウム含有量が２重量％以下であることが好ましく、基本的にアルミニウムを含有していない構造部材が好ましい）。入手可能または入手可能と考えられる粉体と繊維とを混合したものに対する本発明の利点は、アルミニウムの溶融により多孔性になることに起因する材料組成の変化が生じないことである。
【０００７】
本発明による方法は、例えば、場合により、その他の金属、特に希土類を含有する一般的な鉄−クロム鋼から出発して、先ず、圧粉体を含む強度値の高い構造部材を製造し、さらなる工程において、特に表面直下領域へのアルミニウム合金の添加によってこの構造部材の特性に影響を及ぼして、当該構造部材のアルミニウム含有量を的確に調整することができるという特別な利点を有している。
【０００８】
アルミニウム含有材料、たとえばアルミニウム合金、好ましくは純アルミニウムは、焼結工程において、たとえば、純アルミニウムの場合に約６６０℃である溶融温度に達すると液化し、その際、こうして液化したアルミニウム含有材料はアルミニウム含有材料吸収材によって広く吸収される。これによってアルミニウム含有溶融材料の滴下は減少し、アルミニウムが付着されるべき構造部材の直ぐ近くのアルミニウム濃度が高く保たれる。アルミニウム含有溶融材料が好ましくは約１０００℃以上の蒸気圧下に晒されると、アルミニウムは気体状態に変化し、蒸気中に蓄積される。このアルミニウム含有蒸気はアルミニウムが付着されるべき構造部材の直ぐ近くで発生することから、気体状のアルミニウムの少なくとも一部は当該構造部材の表面に付着し、当該構造部材が焼結温度に到達すると、当該構造部材の表面直下領域を拡散する。拡散されたアルミニウムは熱力学的に低い蒸気圧を有し、構造部材中に安定的に留まる。したがって、本発明による方法は焼結工程において総じて少なくとも３つの温度段階を特徴としており、その際、第１の温度段階でアルミニウム含有材料の液化が行われ、第２の温度段階はアルミニウムの気化を特徴とし、第３の温度段階で構造部材の少なくとも表面直下領域へのアルミニウムの拡散を伴う本来の焼結が行われる。
【０００９】
アルミニウム含有材料吸収材は好ましくは十分に大きな、特に高い空隙率を有し、好ましくはフリース状に形成されており、特に好ましくは金属および／またはセラミックからなるフリースが使用される。基本的にアルミニウム含有材料吸収材は好ましくは大きな表面積を有し、これによって、第１の温度段階に達した後に溶融したアルミニウムまたはアルミニウム含有材料は均一に広く吸収され、こうしてまた、アルミニウム含有材料吸収材によって覆われた構造部材の外周面に均一に分散される。その結果、当該構造部材の表面直下領域全体への均一なアルミニウムの拡散を実現することができる。
【００１０】
本発明による方法の焼結工程は、上記したように、好ましくはアルミニウム含有材料の気化温度以上で行われる。構造部材の表面直下領域への拡散によるアルミニウム合金の添加が行われる温度は好ましくは少なくとも１０００℃である。アルミニウムまたはアルミニウム含有材料の気化温度はそれ以下でもよい。
【００１１】
本発明による方法の好ましい実施形態において、構造部材は焼結部材および／または非焼結部材、特にプレス加工品、フリース、圧粉体および繊維マットを含むグループから選択される。したがって、本発明による方法は、まだ焼結に付されていない構造部材にも、すでに焼結済みの構造部材にも適用することができる。それゆえ、たとえばプレス済み圧粉体を焼結前に本発明による方法によってアルミニウム含有材料吸収材で覆い、アルミニウム含有材料の付加下で焼結を行い、その際、焼結と同時にアルミニウム合金の添加も行われるようにすることができる。ただし、構造部材の焼結とアルミニウム合金の添加は別々の工程で行うことも可能である。
【００１２】
アルミニウム含有材料は好ましくは箔の形、粉末、線材、織物および／または繊維として使用される。この場合、特に好ましいのは、表面積を高めるとともに気相へのアルミニウムの変換をいっそう容易にする型押しが少なくとも片面に施されているアルミニウム箔の材料を使用することである。アルミニウム含有材料は純アルミニウムからなるものが好ましい。
【００１３】
ただし、アルミニウム含有材料はアルミニウム含有合金からなるものでもよい。アルミニウム含有合金は、たとえば、アルミニウムと、アルミニウムベース粉末の総量を基準にして、０．２ないし３０重量％のマグネシウム、０．２ないし４  ０重量％のケイ素、０．２ないし１５重量％の銅、０．２ないし１５重量％の亜鉛、０．２ないし１５重量％のチタン、０．２ないし１０重量％のスズ、０．２ないし５重量％のマンガン、０．２ないし１０重量％のニッケルおよび／または１重量％以下のヒ素、アンチモン、コバルト、ベリリウム、鉛および／またはホウ素を含むアルミニウムベース粉末に対して、金属および／またはそれらの合金からなる粉末混合物の総量を基準にして、６０ないし９８．５重量％、好ましくは７５ないし９２重量％のアルミニウムベース粉末を含む粉末混合物から製造することができる。アルミニウム含有合金を製造するための粉末混合物には、粉末混合物の総量を基準にして、選択的に、鉄、モリブデン、タングステン、クロム、バナジウム、ジルコンおよび／またはイットリウムからなる金属および／またはそれらの合金のグループから選択された０．８ないし４０重量％、好ましくは７ないし１５重量％の金属粉末を混合してもよい。
【００１４】
本発明による方法の別の実施形態において、先ず、アルミニウム含有材料を構造部材と接触させ、続いて、この構造部材が少なくとも１つのアルミニウム含有材料吸収材で覆われる。この場合、本発明における「接触させる」とは、アルミニウム含有材料と構造部材とを直接接触させる場合のみならず、たとえば、構造部材の近くまたは構造部材に直接隣接してアルミニウム含有材料を配置することにより、アルミニウム含有材料と構造部材とを部分的に接触させること又は部分的に面接触させることも意味している。
【００１５】
本発明による方法のさらに別の実施形態において、アルミニウム含有材料は先ずアルミニウム含有材料吸収材に付加され、続いて、このアルミニウム含有材料吸収材によって構造部材が覆われることによって構造部材とアルミニウム含有材料とを接触させる。また、さらに別の実施形態において、アルミニウム含有材料吸収材で構造部材を覆った後、構造部材とこのアルミニウム含有材料吸収材との間の領域にアルミニウム含有材料を介在させることもできる。この別の実施形態はアルミニウム含有材料が粉末および／または繊維ならびにそれらの混合物として使用される場合に特に適している。
【００１６】
本発明による方法のさらに別の実施形態において、構造部材に少なくとも１つの金属フリースが巻き付けられ、その際、この金属フリースと構造部材との間にアルミニウム箔、特に型押しされたアルミニウム箔が配置される。この好ましい実施形態は、構造部材の直ぐ近くに容易に且つ確実に比較的高い割合のアルミニウムを配置することができるとともに、こうして形成されたユニットは引きつづく焼結工程および合金添加工程で取扱いが容易であるという大きな利点を有している。加えてさらに、箔の使用により、構造部材を覆う領域全体にわたって、気相状態におけるアルミニウム濃度を均一にすることができる。また、単層もしくは複層のアルミニウム箔を使用するか又は個々のアルミニウム箔を重ねて複数のアルミニウム箔層として使用することもできる。アルミニウム箔は、場合によりアルミニウム以外のその他の金属の不純物を含むことがある。包装業界において一般的な公知の型押しされたアルミニウム箔または型押しなしのアルミニウム箔を使用することも可能である。
【００１７】
本発明による方法が圧粉体を出発原料して行われる場合には、この圧粉体を再圧縮（これは中間圧縮とも称することができる）に付すこともできる。したがって、たとえばプレス済みの圧粉体を新たに一般的なメス型に入れ、このメス型内で適切なプレスパンチによって少なくとも部分的に再圧縮することができる。この場合、好ましくは、再圧縮ダイは全面的または部分的に円錐状に形成されていてもよく、こうして、圧粉体の所定の箇所に特に高い圧縮が達成されるようにすることができる。アルミニウム合金の添加または圧粉体の焼結前に、好ましくは、圧粉体は脱蝋される。脱蝋は、好ましくは、窒素、水素、空気および／または上記のガスの混合物の存在下で、特に的確な空気供給によっても行なわれる。さらに、脱蝋はエンドガスおよび／またはエキソガスで、その場合、好ましくは真空中で行うことができる。脱蝋は好ましくは、マイクロ波および／または超音波の重ね合わせによるか又はもっぱら誘導加熱用のマイクロ波を介して行うことができる。最後に、脱蝋は、溶剤、たとえばアルコール等、または温度作用を有する臨界二酸化炭素もしくは温度作用を有しない臨界二酸化炭素、マイクロ波または超音波、または上記した方法の組み合わせにより行うこともできる。
【００１８】
アルミニウム合金の添加工程に続いて本来の焼結工程を実施することができる。ただし、構造部材がすでに焼結済みの構造部材または未処理の構造部材である場合には、続いて、場合により必要な熱処理、特に均一化焼きなましを行うことができる。この場合、熱処理は、使用される構造部材の化学的組成に応じて実施することができる。別法として、または熱処理に加えて、焼結済み構造部材を、焼結温度または均一化焼きなまし温度から出発して、好ましくは水中急冷またはガス急冷を経て焼入れすることができる。
【００１９】
焼結前もしくは焼結後またはアルミニウム合金の添加前もしくは添加後に、追加的な表面圧縮、特に、サンドブラスト、ショットブラスト、バニシング等による表面領域への圧縮残留応力の付与が可能である。同じく、均一化焼きなましの前または後に補正を行うことができる。この場合、補正は室温または鍛造温度までの高温にて、あるいは、また、９００N／mm2までの圧力の適用下でも行われる。場合により補正は固相線以上でも行うことができ、その場合、構造部材は焼結温度またはアルミニウム合金の添加時に使用される温度から直接取り出すこともできる。
【００２０】
本発明はさらに、本発明による方法で製造された構造部材にも関する。本発明によって製造された構造部材は特に、表面直下領域にアルミニウム含有量が多いことを特徴としている。得られた構造部材は少なくとも部分的に、表面直下領域に高いアルミニウム含有量を有している。
【００２１】
本発明による方法によって製造された構造部材は、特に高温ガス濾過、特に内燃機関用の排気濾過にも使用され、この場合、特に触媒キャリアまたはススフィルタとして使用することができる。さらに、本発明による方法によって製造された構造部材は、内部で気体反応が進行する膜リアクタに使用することができる。
【００２２】
ただし、前記構造部材は非金属層のためのその他の支持体としても使用することができる。本発明による方法で製造された構造部材は、基本的に、表面直下領域におけるアルミニウム含有量が多くない構造部材と比べると、高い耐酸化性を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
前記およびその他の実施形態を以下の実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
ドイツ材料番号2.4816の粉末インコネル600(ニッケル−クロム合金)(アルミニウムを有していない)からパイプの形の圧粉体が製造された。この場合、粉末混合物は室温にて等方圧成形によってパイプの形の圧粉体に成形された。圧粉体の密度は約２．３５ないし２．３８ｇ／cm3であった。こうして製造された圧粉体は、続いて約３０分間にわたり約４３０℃にて脱蝋された。
【００２５】
続いて、こうして製造された圧粉体に、少なくとも片面に型押しが施された市販のアルミニウム箔が単層で巻き付けられ、その際、パイプの形の圧粉体にアルミニウム箔が均一に密接するように注意して巻き付けられた。アルミニウム箔が巻き付けられた、この構造部材は続いて、鉄７５％、クロム２０％、アルミニウム５％の組成を有する２枚の金属フリースの間に挟まれた。この場合、これらの金属フリースの空隙率は８５％であった。
【００２６】
このようにして形成されたユニットは真空炉に入れられた。温度が約６６０℃のアルミニウムの溶融温度に達すると、アルミニウム箔は溶け始め、液化したアルミニウムは２枚の金属フリースによって広く均一に吸収された。これによってアルミニウムの溶融材料の滴下が防止され、したがって、構造部材に接する箇所のアルミニウム量の減少が防止された。アルミニウムの気化温度を超えるとアルミニウムは気化して、アルミニウムを含有しない鋼から製造された圧粉体の表面に広く析出した。かくして、続いて開始されるか又は同時に行われる約１１００℃の温度での圧粉体の焼結により、インペラ圧粉体の表面直下領域へのアルミニウムの拡散が行われた。この場合、炉内温度は段階的に高めることができるが、直ちに気化温度以上の温度および所望により、同時に焼結温度以上の温度に設定することも可能である。
【００２７】
さらに別の実施例において、ドイツ材料番号1.4113の材料(アルミニウムを含有しない)からなる繊維マットが一般的な条件下で焼結された。続いて、焼結された繊維マットの両面に均一にアルミニウム箔が付着され、アルミニウム箔が付着されたこの繊維マットは、続いて製造済みのこの繊維マットよりも空隙率が低くかつ表面積が大きい２枚の金属フリースの間に挟まれた。続いて、インペラ圧粉体に関して上記したのと同様にして、アルミニウム合金の添加が行われた。これにより、合金として添加されたアルミニウム含有量が、繊維マットの総量を基準にして５重量％以上に達する繊維マットを得ることができた。たとえば、ドイツ材料番号1.4404の材料（アルミニウムを含有しない）からなる繊維マットが使用された場合、同等の条件下でアルミニウム合金の添加が行われた後の完成した繊維マットのアルミニウム含有量は、繊維マットの総量を基準にして１重量％以上であった。たとえば、インコネル600からなる粉末から圧粉体が製造された場合、アルミニウム箔を使用した上記した方法による合金添加後の完成焼結構造部材のアルミニウム含有量は、構造部材の総量を基準にして１重量％以上であり、これはインコネル601材料に相当している。
【００２８】
したがって、本発明により、特にアルミニウムを含有しない材料から焼結構造部材を製造しても、少なくとも表面直下領域にアルミニウムを含有し、こうして有利な特性を付与することのできる容易な方法が提供される。
【国際調査報告】
2009501275.tif 000002
2009501275.tif 000003
2009501275.tif 000004
2009501275.tif 000005