METHOD OF PRODUCING SINTERED BODIES FROM AN ALUMINIUM SINTER MIXTURE

Abstract: To increase the wear resistance of sintered bodies from an aluminium sinter mixture, the latter is mixed with a pulverulent additive of oxides, carbides, nitrides, borides or silicates of elements which, with respect to the free enthalpy of reaction, are more electronegative than the corresponding aluminium compound or aluminium and form mixed crystals with the aluminium in the sinter temperature range.

Description: Verfahren zum Herstellen von Sinterformkörpern aus einer Aluminium-Sintermischung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Sinterformkörpern aus einer Aluminium-Sintermischung mit einem Zusatz aus verschleissfesten Pulverteilchen, wobei die Sintermischung zu einem Formkörper gepresst, auf eine Sintertemperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminium erwärmt und unter Schutzgasatmosphäre gesintert wird, sowie auf einen Sinterformkörper aus einer Aluminium-Sintermischung. Sinterformkörper aus einer Aluminium-Sintermischung lassen sich nicht nur in grossen Stückzahlen mit hoher Fertigungsgenauigkeit herstellen, sondern weisen auch ein vergleichsweise niedriges spezifisches Gewicht und eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. Diesen Vorteilen steht allerdings der Nachteil einer geringen Verschleissbeständigkeit gegen über. Um die Verschleissbeständigkeit zu verbessern, bietet sich die Möglichkeit an, die Sinterformkörper mit einer verschleissfesten Schutzschicht zu überziehen. Eine Hartbeschichtung durch eine chemische Abscheidung beispielsweise von Titankarbid, Titannitrid oder eines Borids aus der Casphase ist allerdings bei Aluminiumwerkstoffen nicht zielführend, weil die Beschichtungsverfahren Reaktionstemperaturen über dem Schmelzpunkt des Aluminiums erfordern. Werden physikalische Verfahren zum Aufbringen verschleissfester Schichten, wie Aufdampfen, lonenimplantieren u. dgl., angewandt, so werden im allgemeinen nur dünne, rasch abtragbare Schichten erhalten. Ausserdem sind diese Verfahren für eine Beschichtung von billigen Massenteilen zu teuer. Dasselbe gilt auch für die versuchte Aufbringung von galvanischen Schichten. Dazu kommt, dass zumindest beim Aufbringen dickerer Schichten die sehr gute Masshaltigkeit der Sinterformkörper beeinträchtigt wird. Eine andere Möglichkeit, die Verschleissbeständigkeit von Sinterformkörpern aus Aluminium zu verbessern, besteht darin, in die Aluminiummatrix verschleissfestere Teilchen einzulagern. Zu diesem Zweck wurde bereits vorgeschlagen, der Aluminium-Sinter mi schung einen Zusatz aus verschleissfesteren, intermetallischen Verbindungen, beispielsweise eine Mo-Co-Si-Legierung, die durch ein Verdüsen pulverisiert wird, zuzumischen, doch konnten sich diese Vorschläge in der Praxis nicht durchsetzen, weil die metallischen Zusätze während des Sinterns mit dem Matrixwerkstoff reagieren und sich unter einer vergleichsweise starken Sinterschwellung spröde Zwischenschichten bilden. Es gelingt praktisch nicht, die Massänderung während des Sinterns zu steuern. Ausserdem brechen diese spröden Zwischenschichten bei einer Ver schleissbeanspruchung und es kommt zu einem Heraus bröckeln der eingelagerten Teilchen. Versucht man, Teilchen in die Aluminiummatrix einzulagern, die mit der Matrix nicht reagieren und beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen, so legieren diese zwar nicht, doch werden sie auch nur schlecht eingebunden und können bei einer Verschleissbeanspruchung leicht aus dem Werkstoff herausgerissen werden. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu vermeiden und ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe masshaltige Sinterformkörper aus einer Aluminium-Sintermischung mit einem vergleichsweise hohen Verschleisswiderstand erhalten werden können. Ausgehend von einem Verfahren der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass als pulveriger Zusatz Oxide, Karbide, Nitride, Boride bzw. Silikate von Elementen mit einem Schmelzpunkt über dem des Aluminiums verwendet werden, die hinsichtlich der freien Reaktionsenthalpie unedler als die entsprechende Aluminiumverbindung bzw. das Aluminium sind und mit dem Aluminium im Bereich der Sintertemperatur Mischkristalle bilden. Durch das Aluminium der Matrix wird die Oberfläche der eingelagerten Teilchen anreduziert. Wegen der gegenüber der entsprechenden Aluminiumverbindung bzw. dem Aluminium negativeren freien Reaktionsenthalpie der Zusätze würde diese Reaktion jedoch sehr rasch wieder aufhören, wenn sich nicht Mischkristalle bilden könnten, die die Aktivitäten ändern, so dass auch bei einer positiven Differenz der freien Enthalpie solche Stoffe mit dem Aluminium reagieren können. Diese Reaktion bleibt jedoch schon nach Erreichen einer vergleichsweise geringen Konzentration an Mischkristallen im Bereich der Phasengrenzflächen stehen, weil wegen des Aktivitätsausgleiches keine weiteren Teilchen mehr anreduziert werden können. Die gebildete Haftschicht bleibt folglich wegen der geringen umgesetzten Menge sehr dünn und wirkt darüber hinaus aufgrund des hohen Schmelzpunktes als Diffusionssperre, wodurch eine weitergehende Reaktion durch ein Abdiffundieren wirksam gehemmt wird. Auch wenn intermetallische Phasen von sich aus spröde sind, bleiben die gebildeten Haftschichten zufolge ihrer geringen Dicke verformbar und verhalten sich duktil, so dass die verschleissfesteren Teilchen gut eingebunden und nicht losgerissen werden, was den Verschleisswiderstand solcher Sinterformkörper erheblich vergrössert. Im Gegensatz zu den anderen nichtmetallischen Zusätzen überwiegt bei der Verwendung von Silikaten die Mischkristallbildung zwischen dem Aluminium und dem silikatischen Anteil des Silikates. Bei Silikaten von Metallen, die hinsichtlich der freien Enthalpie unedler als Aluminium sind, wird nämlich der silikatische Anteil anreduziert, wobei sich dünne Haftschichten bilden. Die Umsetzung kommt allerdings nach Erreichen einer bestimmten Schichtstärke und nach dem Einbau von etwas gebildetem Aluminiumoxid in die Oberfläche der Teilchen praktisch zum Stillstand, wobei eine weitere Umsetzung nur durch eine Diffusion von Aluminium bzw. Silizium durch die Zwischenschicht möglich ist, die ein solches Diffundieren jedoch stark hemmt. Die sehr geringe Reaktion der nichtmetallischen Zusatzteilchen mit der Aluminiummatrix verändert im Gegensatz von metallischen Zusatzstoffen das Sinterverhalten der Aluminium-Sintermischung gegenüber den zusatzmittelfreien Sintermischungen praktisch nicht. Es können folglich die für die Herstellung von Sinterformkörpern ohne verschleissmindernde Zusätze vorteilhaften Sinterbedingungen auch für das Sintern der Aluminium-Sintermischungen mit solchen verschleissmindernden, nichtmetallischen Zusätzen angewendet werden. Zur Erzielung einer guten Verschleissbeständigkeit sollen die Teilchen des pulverigen Zusatzes kugelige Gestalt mit einem Korndurchmesser zwischen 30 und 100 pm aufweisen. Liegt der Korndurchmesser unter dem angegebenen Bereich, ergibt sich keine merkbare Verbesserung der Verschleissbeständigkeit, weil die verschleissfesten Zusatzteilchen während der Verschleissbeanspruchung in das Matrixgrundgefüge eingedrückt werden können. Ausserdem führt eine zu geringe Korngrösse zu einem Festigkeitsverlust der Formkörper. Eine grosse Anzahl sehr feiner Zusatzteilchen behindert nämlich die Ausbildung der die Festigkeit des Werkstoffes bestimmenden Sinterbrücken. Übersteigt die Korngrösse ein bestimmtes Mass, so besteht die Gefahr, dass die Zusatzteilchen aus dem Gefüge herausgerissen werden. Darüber hinaus können sich bereits Schwierigkeiten hinsichtlich der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten der nichtmetallischen Einlagerungen und der Aluminiummatrix ergeben. Besonders vorteilhafte Bedingungen werden erhalten, wenn der Korndurchmesser des pulverigen nichtmetallischen Zusatzes zwischen 50 und 200 pm liegt. Zusatzteilchen mit kugeliger Gestalt stellen bessere mechanische Eigenschaften des Sinterformkörpers sicher, wobei insbesondere eine bessere Bruchdehnung erreicht werden kann. Ausserdem ist die Verpressbarkeit der Grünlinge grösser und der Werkzeugverschleiss beim Verpressen der Grünlinge geringer. Um eine wirksame Verbesserung des Verschleissverhaltens des Sinterwerkstoffes zu erhalten, soll der Gehalt an Zusatzteilchen wenigstens 0,5 Vol X der Sintermischung ausmachen. Steigt der Gehalt an pulverigem Zusatz über SO Vol X an, wird die Festigkeit der Sinterwerkstoffe beeinträchtigt. Im allgemeinen wird daher ein Zusatz an nichtmetallischen Stoffen von 1 bis 30 Vol % zur Aluiinium-Sintermischung die besten Ergebnisse sicherstellen. Die Härte der nichtmetallischen Zusatzstoffe spielt für die Verschleisseigenschaften des Sinterformkorpers nur eine untergeordnete Rolle, weil alle in Frage kommenden, nichtmetallischen Stoffe eine ausreichend hohe Härte aufweisen. Bei einem Sinterforikörper, bei dem in der Aluminiummatrix Oxide, Karbide, Nitride, Boride und/oder Silikate von Elementen mit eine Schmelzpunkt über dem des Aluminiums eingebaut sind, die hinsichtlich der freien Reaktionsenthalpie unedler als die entsprechende Aluminiumverbindung bzw. das Aluminium sind und mit dem Aluminium im Bereich der Sintertemperatur sschkristalle bilden, können somit die Vorteile herkömmlicher Aluminium-Sinterformkörper mit dem Vorteil einer erheblichen Verbesserung im Verschleissverhalten verbunden werden. Die sich bildenden Haftschichten zwischen den eingelagerten, verschleissfesten Teilchen und der Matrix ist hinsichtlich der Schichtdicke auf 0,01 bis 1,0 pm beschränkt, so dass trotz der sproden intermetallischen Phasen ein duktiles Verhalten erzielt wird, das eine gute Einbindung der verschleissfesten Teilchen in die Matrix auch bei grösseren Verschleissbeanspruchungen des Werkstoffes sicherstellt. Ausführungsbeispiele: 1. Eine handelsübliche Aluminium-Sintermischung, die 1,5 Gew % eines Presshilfsmittels enthält, wird in einem Taumelmischer mit 10 Gew % (= ca. 10 Vol %) handels üblicher Glasperlen mit einer Korngrösse von 50 bis 150 pm während zweier Stunden gemischt. Diese Aluminium Sintermischung wird in herkömmlicher Weise mit ent sprechenden Werkzeugen unter einem Druck von 3,5 t/cm2 zu Formteilen gepresst, die eine hohe Grünfestigkeit und eine hohe Pressdichte aufweisen. Bei dem gewählten Press druck und der Zusatzmenge an Glaskugeln ist kein Bruch der Glaskugeln während der Verpressung zu befürchten. Die so hergestellten Grünlinge werden nach einem Ent wachsen während 20 Minuten bei 590 C gesintert. Bei einer Sinterschwindung von weniger als 0,1 % werden Formkörper mit einer Zugfestigkeit von 140 N/mm2 (T1 Zustand) bzw. 240 N/mm2 (T6-Zustand) erhalten. Der auf einem Verschleissprüfstand gegenüber einer kunst stoffgebundenen Siliziumkarbidscheibe gemessene Ver schleiss konnte durch die Silikateinlagerung gegenüber Aluminium-Sinterkörpern ohne diesen Zusatz auf ca. 45 % herabgesetzt werden. 2. Zu einer handelsüblichen Aluminium-Sintermischung werden entsprechend dem Beispiel 1 ein handelsübliches Zir koniumsilikat von 20 Gew % (= ca. 15 Vol %) mit einem Korndurchmesser von 80 bis 100 pm zugemischt. Nach einem Verpressen dieser Sintermischung zu Grünlingen mit einem Druck von 3,5 t/cm2 wurden die Grünlinge bei einer Sintertemperatur von 595µ C und einer Sinterzeit von 20 Minuten gesintert. Die Festigkeit der so erhaltenen Sinterformkörper betrug 145 N/mm2 (T1) und 250 N/mm2 (T6). Die Massänderung beim Sintern wurde mit + 0,1 % bestimmt. Die Vergrösserung des Verschleisswiderstandes gegenüber zusatzfreien Sinterformkörpern wurde mit 35 X gemessen. 3. Bei einem Zusatz von 20 Gew % an handelsüblichem Elek trokorundpulver mit geringem Fe-Gehalt, Korndurch messer 100 bis 150 ijm konnten aus einer handelsüblichen Aluminium-Sintermischung nach einer Vorbereitung ent sprechend dem Beispiel 1 nach einer Sinter zeit von 30 Minuten und einer Sintertemperatur von 595- C Sinter formkörper erhalten werden, die eine sehr geringe Sinterschwellung von 0,1 bis 0,2 Z aufwiesen. Die Ver schleissbeständigkeit konnte gegenüber zusatzmittelfreier Vergleichsproben um ca. 10 X verbessert werden. Die Festigkeit betrug 120 N/mm2 (T1) und 220 N/mm2 (T6). 4. Mit einer Zugabe von 20 Gew X eines handelsüblichen Siliziumkarbidpulvers mit einer Korngrösse von ca. 100 pm zu einer üblichen Aluminium-Sintermischung wurden unter den üblichen Press- und Sinterbedigungen (Pressdruck: 3,5 t/cm2, Sinterzeit: 20 Minuten, Sintertemperatur: 590- C) bei einem geringen Sinterschwund von 0,2 X Sinterformkörper hergestellt, deren Festigkeit 155 N/mm2 (T1) und 265 N/mm2 (T6) betrug. Gegenüber zusatzmittel freien Vergleichsproben konnte eine Verbesserung des Verschleissverhaltens um 5 X festgestellt werden.

Claims: Patentansprüche: 1. Verfahren zum Herstellen von Sinterformkörpern aus einer Aluminium-Sintermischung mit einem Zusatz aus verschleissfesten Pulverteilchen, wobei die Sintermischung zu einem Formkörper gepresst, auf eine Sintertemperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminium erwärmt und unter Schutzgasatmosphäre gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, dass als pulveriger Zusatz Oxide, Karbide, Nitride, Boride bzw. Silikate von Elementen mit einem Schmelzpunkt über dem des Aluminiums verwendet werden, die hinsichtlich der freien Reaktionsenthalpie unedler als die entsprechende Aluminiumverbindung bzw. das Aluminium sind und mit dem Aluminium im Bereich der Sintertemperatur Mischkristalle bilden. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen des pulverigen Zusatzes kugelige Gestalt mit einem Korndurchmesser zwischen 30 und 300 pm aufweisen. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Korndurchmesser des pulverigen Zusatzes zwischen 50 und 200 pm liegt. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverige Zusatz 0,5 bis 50 Vol % der Sintermischung ausmacht. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintermischung 1 bis 30 Vol % an pulverigem Zusatz enthält. 6. Sinterformkörper aus einer Aluminium-Sintermischung mit einem Zusatz aus verschleissfesten Pulverteilchen,dadurch gekennzeichnet, dass in der Matrix Oxide, Karbide, Nitride, Boride bzw. Silikate von Elementen mit einem Schmelzpunkt über dem des Aluminiums eingebaut sind, die hinsichtlich der freien Reaktionsenthalpie unedler als die entsprechende Aluminiumverbindung bzw. das Aluminium sind und mit dem Aluminium im Bereich der Sintertemperatur Mischkristalle bilden.

Inventors: FRANEK, FRIEDRICH, DR., JANGG, GERHARD, DR., SCHROEDER, KLAUS, DR., Schröder, Klaus, Dr.
Applicants: MIBA SINTERMETALL AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1986
Main classification: C22C32
IPC codes: C22C1, C22C32