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(11) | EP 0 213 113 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Verfahren zum Herstellen von Sinterformkörpern aus einer Aluminium-Sintermischung |
[0001] 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.
[0002] 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 gegenüber. 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 Gasphase 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, Ionenimplantieren 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.
[0003] 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-Sintermischung 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 Verschleißbeanspruchung und es kommt zu einem Herausbröckeln 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] Zur Erzielung einer guten Verschleißbeständigkeit sollen die Teilchen des pulverigen Zusatzes kugelige Gestalt mit einem Korndurchmesser zwischen 30 und 100 um 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.
[0010] Um eine wirksame Verbesserung des Verschleißverhaltens des Sinterwerkstoffes zu erhalten, soll der Gehalt an Zusatzteilchen wenigstens 0,5 Vol % der Sintermischung ausmachen. Steigt der Gehalt an pulverigem Zusatz über 50 Vol % an, wird die Festigkeit der Sinterwerkstoffe beeinträchtigt. Im allgemeinen wird daher ein Zusatz an nichtmetallischen Stoffen von 1 bis 30 Vol % zur Aluminium-Sintermischung die besten Ergebnisse sicherstellen.
[0011] Die Härte der nichtmetallischen Zusatzstoffe spielt für die Verschleißeigenschaften des Sinterformkörpers nur eine untergeordnete Rolle, weil alle in Frage kommenden, nichtmetallischen Stoffe eine ausreichend hohe Härte aufweisen.
[0012] Bei einem Sinterforakörper, bei dem in der Aluminiummatrix Oxide, Karbide, Nitride, Boride und/oder Silikate von Elementen mit einen 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, 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 spröden 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:
[0013]
1. Eine handelsübliche Aluminium-Sintermischung, die 1,5 Gew % eines Preßhilfsmittels enthält, wird in einem Taumelmischer mit 10 Gew % (= ca. 10 Vol %) handelsüblicher Glasperlen mit einer Korngröße von 50 bis 150 pm während zweier Stunden gemischt. Diese Aluminium-Sintermischung wird in herkömmlicher Weise mit entsprechenden Werkzeugen unter einem Druck von 3,5 t/cm2 zu Formteilen gepreßt, die eine hohe Grünfestigkeit und eine hohe Preßdichte aufweisen. Bei dem gewählten Preßdruck und der Zusatzmenge an Glaskugeln ist kein Bruch der Glaskugeln während der Verpressung zu befürchten. Die so hergestellten Grünlinge werden nach einem Entwachsen 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 kunststoffgebundenen Siliziumkarbidscheibe gemessene Verschleiß 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 Zirkoniumsilikat 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 595° 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 % gemessen.
3. Bei einem Zusatz von 20 Gew % an handelsüblichem Elektrokorundpulver mit geringem Fe-Gehalt, Korndurchmesser 100 bis 150 µm konnten aus einer handelsüblichen Aluminium-Sintermischung nach einer Vorbereitung entsprechend dem Beispiel 1 nach einer Sinterzeit von 30 Minuten und einer Sintertemperatur von 595° C Sinterformkörper erhalten werden, die eine sehr geringe Sinterschwellung von 0,1 bis 0,2 % aufwiesen. Die Verschleißbeständigkeit konnte gegenüber zusatzmittelfreier Vergleichsproben um ca. 10 % verbessert werden. Die Festigkeit betrug 120 N/mm2 (T1) und 220 N/mmz (T6).
4. Mit einer Zugabe von 20 Gew % eines handelsüblichen Siliziumkarbidpulvers mit einer Korngröße von ca. 100 um 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 % Sinterformkörper hergestellt, deren Festigkeit 155 N/mm2 (T1) und 265 N/mm2 (T6) betrug. Gegenüber zusatzmittelfreien Vergleichsproben konnte eine Verbesserung des Verschleißverhaltens um 5 % festgestellt werden.