DE10203285C1 - Sinterfähige Pulvermischung zur Herstellung gesinterter Bauteile - Google Patents

Abstract

Zur Lösung der Aufgabe, eine sinterfähige Pulvermischung zur Herstellung gesinterter Bauteile, insbesondere für den Automobilbau, zur Verfügung zu stellen, mittels welcher Bauteile nicht nur mit ausreichenden Festigkeitswerten, sondern insbesondere auch hoher Härte herstellbar sind, wird eine Pulvermischung vorgeschlagen, welche 60 bis 98,5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Pulvermischung, eines Al-Basispulvers aus Metallen und/oder deren Legierungen, umfassend Al, 0,2 bis 30 Gew.-% Mg, 0,2 bis 40 Gew.-% Si, 0,2 bis 15 Gew.-% Cu, 0,2 bis 15 Gew.-% Zn, 0,2 bis 15 Gew.-% Ti, 0,2 bis 10 Gew.-% Sn, 0,2 bis 5 Gew.-% Mn, 0,2 bis 10 Gew.-% Ni und/oder weniger als 1 Gew.-% an As, Sb, Co, Be, Pb und/oder B, wobei die Gewichtsprozentanteile jeweils bezogen sind auf die Gesamtmenge an Al-Basispulver, und 0,8 bis 40 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Pulvermischung, eines Metallpulvers, ausgewählt aus einer ersten Gruppe von Metallen und/oder deren Legierungen, bestehend aus Mo, Wo, Cr, V, Zr und/oder Yt.

Description

Die Erfindung betrifft eine sinterfähige Pulvermischung zur Herstellung gesinterter Bauteile, insbesondere für den Auto­ mobilbau, auf Basis eines Al-Pulvers, sowie hieraus herge­ stellte gesinterte Bauteile sowie ein Verfahren zur Herstel­ lung derartiger Bauteile.

Aluminium ist aufgrund seiner speziellen Eigenschaften ein bevorzugter Werkstoff insbesondere in der Raumfahrtindustrie und Automobilindustrie. Aus Aluminium bzw. Aluminium enthal­ tenden Werkstoffen hergestellte Bauteile sind im Vergleich mit üblichen, beispielsweise aus Gußeisen hergestellten Bau­ teilen, erheblich leichter. Durch die Verringerung des Ge­ wichts sind beispielsweise bei Automobilen eine Steigerung des Wirkungsgrads sowie eine Reduzierung des Kraftstoffver­ brauchs und eine Verbesserung der Abgaswerte zu erreichen.

Im Zuge der wünschenswerten Gewichtsreduzierung von Automobi­ len besteht ein steigender Bedarf an Anwendungen für Alumini­ um im Automobilbereich. Denn beispielsweise im Motor- und Ge­ triebebau werden die bisherigen Stahl- oder Gußteile Stück für Stück ersetzt durch solche aus Aluminium bzw. unter Ver­ wendung von Aluminium hergestellten. Da bei einer Kombination von Stahl- bzw. Gußteilen mit solchen aus Aluminium Probleme aufgrund des unterschiedlichen physikalischen Verhaltens der Werkstoffe auftreten, ist es wünschenswert, möglichst viele "klassische" Bauteile aus Stahl oder Guß durch solche unter Verwendung von Aluminium hergestellte zu ersetzen. Denn hier­ durch werden Probleme aufgrund von Unterschieden der einge­ setzten Materialien hinsichtlich der thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten, der thermischen Leitfähigkeit, der elastischen Eigenschaften etc. vermieden. Durch die Verwendung von auf­ einander abgestimmten Bauteilen, welche unter Verwendung von Aluminium hergestellt sind, werden insbesondere auch höhere Wirkungsgrade erzielt.

EP 0 436 652 A1 offenbart ein Aluminiumlegierung-haltiges Me­ tallpulver zur Herstellung von gesinterten Aluminiumlegierun­ gen mit 0,1 bis 3,0 Gew.% Cu, wobei die weiteren Anteile aus Aluminium und unvermeidlichen Verunreinigungen bestehen. Be­ vorzugt ist eine Legierung mit 4 bis 20 Gew.% Mg und 12 bis 30 Gew.% Si, wobei die weiteren Anteile aus Aluminium und unver­ meidlichen Verunreinigungen bestehen. Hiermit sollen gesin­ terte Legierungen mit hohen Zugfestigkeiten und Dehnungskoef­ fizienten erhalten werden.

Da insbesondere viele Motor-, Kupplungs- und Getriebebauteile pulvermetallurgisch hergestellt werden, besteht ein großes Interesse daran, Pulvermischungen herzustellen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels welchen Aluminiumbauteile pulvermetallurgisch hergestellt werden können. Nachteilig an der pulvermetallurgischen Herstellung von Bauteilen unter Verwendung von Aluminium ist insbesondere, daß Aluminium und seine Legierungen dazu neigen, sich bei Luftkontakt mit einem äußerst stabilen Metalloxid zu belegen. Hierdurch wird insbe­ sondere die spezifische Oberfläche erhöht. Durch die sich auf dem eingesetzten aluminiumhaltigen Material befindlichen Oxidhäute wird die für das Sintern notwendige Diffusion der Partikel des verwendeten Pulvermaterials behindert. Weiterhin weisen aus aluminiumhaltigen Materialien hergestellte Bautei­ le im Vergleich zu solchen aus Stahl oder Guß hergestellten verminderte Festigkeitswerte, insbesondere eine geringe Här­ te, auf. Zudem behindern die sich auf dem aluminiumhaltigen Ausgangsmaterial befindlichen Oxidhäute im üblichen Preßvor­ gang die Kaltverschweißung der Partikel untereinander.

Es besteht daher ein Bedarf an sinterfähigen Pulvermischun­ gen, welche pulvermetallurgisch gut verarbeitbar sind, und aus welchen Bauteile mit guten Festigkeitswerten und hoher Härte pulvermetallurgisch herstellbar sind. Des weiteren be­ steht ein Bedarf an pulvermetallurgischen Verfahren zur Ver­ arbeitung derartiger aluminiumhaltiger sinterfähiger Pulver­ mischungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Pulver­ mischung und hieraus hergestellte Bauteile sowie entsprechen­ de Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche die vorgenann­ ten Nachteile nicht aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine sinter­ fähige Pulvermischung zur Herstellung gesinterter Bauteile, insbesondere für den Automobilbau, umfassend 60 bis 98,5 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmenge der Pulvermischung, bevor­ zugt 75 bis 92 Gew.%, eines Al-Basispulvers aus Metallen und/oder deren Legierungen, umfassend Al, 0,2 bis 30 Gew.% Mg, 0,2 bis 40 Gew.% Si, 0,2 bis 15 Gew.% Cu, 0,2 bis 15 Gew.% Zn, 0,2 bis 15 Gew.% Ti, 0,2 bis 10 Gew.% Sn, 0,2 bis 5 Gew.% Mn, 0,2 bis 10 Gew.% Ni und/oder weniger als 1 Gew.% an As, Sb, Co, Be, Pb und/oder B, wobei die Gewichtsprozentanteile jeweils bezogen sind auf die Gesamtmenge an Al-Basispulver, und 0,8 bis 40 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmenge der Pulvermischung, bevorzugt 8 bis 15 Gew.%, eines Metallpulvers, ausgewählt aus einer ersten Gruppe von Metallen und/oder deren Legierungen bestehend aus Mo und/oder W.

Durch die Zugabe der ersten Gruppe von Metallen und/oder de­ ren Legierungen bestehend aus Mo und/oder W können mit dieser Pulvermischung pulvermetallurgisch Bauteile hergestellt wer­ den, welche eine sehr hohe Härte aufweisen. Die Werte für die Härte für Bauteile, hergestellt mit einem Pulver, ausgewählt aus der ersten Gruppe von Metallen und/oder deren Legierun­ gen, sind im Vergleich zu solchen ohne Zugabe dieser ersten Gruppe von Metallen und/oder deren Legierungen um 5 bis 35%, bevorzugt 10 bis 25%, erhöht. Durch den Zusatz der ersten Gruppe von Metallen und/oder deren Legierungen zu einem Al- Basispulver wird insbesondere die durch den Preßvorgang, ins­ besondere die Nachverdichtung, hervorgerufene Kaltverschwei­ ßung der Partikel untereinander verbessert. Hierdurch wird letztendlich auch die Diffusion der einzelnen Partikel wäh­ rend des einzelnen Sintervorgangs verbessert, wodurch Bautei­ le mit höheren Festigkeitswerten und höherer Härte erhalten werden.

Vorteilhafterweise umfaßt die sinterfähige Pulvermischung weiterhin eine zweite Gruppe von Metallen und/oder deren Le­ gierungen, bestehend aus Cu, Sn, Zn, Li und/oder Mg. Die Zu­ gabe der vorgenannten zweiten Gruppe von Metallen und/oder deren Legierungen bewirkt vermutlich, daß insbesondere noch während des Preßvorgangs, insbesondere während der Nachver­ dichtung, mit dem Al-Basispulver eine Legierung und/oder in­ termetallische Phase gebildet wird. Hierdurch wird die Aus­ bildung von Oxidhäuten auf der Oberfläche des eingesetzten Al-Basispulvers behindert. Zusätzlich geht zumindest teilwei­ se beim eigentlichen Sintervorgang die zweite Gruppe von Me­ tallen und/oder deren Legierungen in einen zumindest teilwei­ se flüssigen Zustand bei der Sintertemperatur über, wodurch die Anbindung insbesondere der ersten Gruppe von Metallen und/oder deren Legierungen an das Aluminium-Basispulver ver­ bessert wird.

Bevorzugt liegt das Verhältnis der Menge der ersten Gruppe von Metallen und/oder deren Legierungen zu derjenigen der zweiten Gruppe in der Pulvermischung in einem Bereich von 1 : 8 bis 15 : 1 Gewichtsanteilen. Vorzugsweise liegt das Verhältnis in einem Bereich von 2 : 1 bis 6 : 1 Gewichtsanteilen. Bei derar­ tigen Mischungsverhältnissen wird eine maximale Anbindung der Metalle und/oder Legierungen der ersten Gruppe an das Al- Basispulver erzielt. Hierdurch können mit der Pulvermischung Bauteile mit hoher Härte erhalten werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Al-Basispulver neben Al 0,2-15 Gew.% Mg, 0,2 bis 16 Gew.% Si, 0,2 bis 10 Gew.% Cu und/oder 0,2 bis 15 Gew.% Zn, bezogen jeweils auf die Gesamtmenge des Al-Basispulvers, auf. Weiterhin weist bevorzugt die zweite Gruppe von Metallen und/oder deren Legierungen Cu, Zn und/oder Sn auf.

Vorzugsweise umfaßt die sinterfähige Pulvermischung Schmier­ mittel in einer Menge von 0,2 bis 5 Gew.%, bezogen auf die Ge­ samtmenge der Pulvermischung. Als Schmiermittel können hier­ bei einerseits selbstschmierende Mittel vorgesehen sein wie beispielsweise MoS₂, WS₂, BN, MnS sowie Graphit und/oder an­ dere Kohlenstoffmodifikationen wie Koks, polarisierter Gra­ phit o. ä. Vorzugsweise werden 1 bis 3 Gew.% Schmiermittel der sinterfähigen Pulvermischung zugegeben. Durch Einsatz der vorgenannten Schmiermittel können den aus der sinterfähigen Pulvermischung hergestellten Bauteilen selbstschmierende Ei­ genschaften vermittelt werden.

Die sinterfähige Pulvermischung kann weiterhin Bindemittel und/oder Gleitmittel umfassen. Diese sind bevorzugt ausge­ wählt aus einer Gruppe umfassend Polyvinylacetate, Wachse, insbesondere Amidwachse wie Ethylenbisstearoylamid, Schel­ lack, Polyalkylenoxide und/oder Polyglykole. Polyalkylenoxide und/oder -glykole werden vorzugsweise als Polymere und/oder Copolymere mit mittleren Molekulargewichten in einem Bereich von 100 bis 500.000 g/mol, bevorzugt 1.000 bis 3.500 g/mol, weiter bevorzugt 3.000 bis 6.500 g/mol, verwendet. Die Mittel werden bevorzugt in einer Menge in einem Bereich von etwa 0,01 bis 12 Gew.%, bevorzugt in einem Bereich von 0,5 bis 5 Gew.%, noch mehr bevorzugt 0,6 bis 1,8 Gew.%, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge der Pulvermischung, eingesetzt. Die Bin­ de- und/oder Gleitmittel erleichtern auch das Entnehmen der aus der sinterfähigen Pulvermischung hergestellten Bauteile aus der Preßform.

Die Pulvermischung kann durch Mischen der einzelnen Bestand­ teile mit üblichen Apparaturen wie Taumelmischern sowohl in der Wärme (Warmmischen) als auch bei Raumtemperatur (Kaltmi­ schen) hergestellt werden, wobei das Warmmischen bevorzugt ist.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein gesintertes Bauteil, welches zumindest teilweise hergestellt ist gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Derartige erfindungsgemäße gesinterte Bauteile weisen Festigkeitswerte und Härten auf, welche deutlich über solchen liegen, welche mit üblichen Ver­ fahren hergestellt wurden. Bevorzugt weisen die erfindungsge­ mäßen gesinterten Bauteile eine Zugfestigkeit von mindestens 140 N/mm², gemessen gemäß DIN EN 10002-1, auf. Weiter bevor­ zugt beträgt die Zugfestigkeit mehr als 200 N/mm², noch wei­ ter bevorzugt mehr als 300 N/mm². Vorteilhafterweise weisen die erfindungsgemäßen gesinterten Bauteile ein Elastizitäts­ modul von mindestens 70 kN/mm², gemessen gemäß DIN EN 10002- 1, auf, welches weiter bevorzugt größer 80 kN/mm² ist.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform weisen die erfin­ dungsgemäßen gesinterten Bauteile eine Härte (HB 2,5/62,5 kg) von mindestens 100, gemessen gemäß DIN EN 24498-1, auf. Die Härte ist weiter bevorzugt größer als 110, noch weiter bevor­ zugt größer als 125.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das gesinterte Bauteil ausgebildet als Zahnrad, Pumpenrad, insbesondere Öl- pumpenrad, und/oder Pleuel und/oder Rotorsatz.

Unter gesinterten Bauteilen im Sinne der vorliegenden Erfin­ dung werden Bauteile verstanden, welche vollständig aus einem sinterfähigen Material hergestellt wurden, andererseits wer­ den hierunter auch Verbundteile verstanden, wobei der Grund­ körper eines derartigen Verbundteils beispielsweise aus einer aluminiumhaltigen Pulvermischung hergestellt sein kann und der mit dem Grundkörper weiter verbundene Körper aus einem weiteren Material, beispielsweise Eisen oder Gußstahl, gesin­ tert oder massiv, oder aus massivem Aluguß. Umgekehrt kann das Verbundteil auch beispielsweise lediglich auf den Stirn­ seiten oder seiner Oberfläche eine gesinterte Schicht aus ei­ ner aluminiumhaltigen Pulvermischung aufweisen, wohingegen der Grundkörper aus beispielsweise Stahl oder Gußeisen, ge­ sintert oder massiv, ist. Die gesinterten Bauteile können da­ bei kalibriert und/oder ausgehärtet in der Wärme sein.

Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von gesinterten Bauteilen, auch Verbundtei­ len, aus einer erfindungsgemäßen Pulvermischung, wobei

• - in einem ersten Schritt die Pulvermischung in eine erste Form eingegeben wird;
• - in einem zweiten Schritt die Pulvermischung zu einem Grün­ ling gepreßt wird;
• - in einem dritten Schritt der Grünling zumindest teilweise nachverdichtet wird; und
• - in einem vierten Schritt der nachverdichtete Grünling ge­ sintert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den großen Vorteil auf, daß durch die bereits im dritten Schritt erzielte hohe Dichte vor dem eigentlichen Sintern Bauteile herstellbar sind, wel­ che einerseits hervorragende Festigkeitswerte, andererseits auch ausgesprochen hohe Dichten und Härten aufweisen. Insbe­ sondere können durch die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren erfolgte Nachverdichtung die sich an den Sinterschritt anschließenden üblichen Nachbearbeitungsschritte wie das Ka­ librieren und/oder die Aushärtung durch Auslagerung in der Wärme erheblich verkürzt werden, oder aber gegebenenfalls die übliche Nachbrennung oder aber die Kalibrierung weggelassen werden. Durch diese Verkürzung des Gesamtprozesses wird eine Produktivitätserhöhung und damit ein wirtschaftlicher Vorteil erreicht.

Durch das Nachverdichten im dritten Schritt des erfindungsge­ mäßen Verfahrens wird vorteilhafterweise erreicht, daß die sich auf der Oberfläche des eingesetzten Materials vorhande­ nen Oxidschichten mechanisch aufgebrochen werden, wodurch ei­ ne bessere Kaltverschweißung beim Preßvorgang zwischen den einzelnen Materialpartikeln erreicht wird. Des weiteren wird hierdurch auch die Diffusion während des eigentlichen Sinter­ prozesses der einzelnen Materialpartikel verbessert. Hier­ durch können Bauteile mit erhöhten Festigkeitswerten und ins­ besondere höherer Härte erhalten werden.

Der im zweiten und dritten Schritt des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens erfolgte Preßvorgang kann sowohl bei erhöhter Tempe­ ratur, insbesondere unter Zugabe der oben genannten Mittel, insbesondere Polyethylenglykole (Warmpressen), jedoch auch bei Raumtemperatur (Kaltpressen), als auch über Vibrations­ verdichten erfolgen. Unter Vibrationsverdichten wird hier ein Verfahren verstanden, bei welchem während des Preßvorgangs zumindest zeitweise eine Schwingung den Preßvorgang überla­ gert, wobei die Schwingung beispielsweise über wenigstens ei­ nen Preßstempel eingeleitet werden kann. Auch eine Kombinati­ on der vorgenannten Preßverfahren ist möglich. Sinterfähige Materialien sind insbesondere Pulver bzw. Pulvermischungen, insbesondere Metallpulver und/oder Keramikpulver, beispiels­ weise aus Stählen wie Chrom-Nickel-Stahl, Bronzen, Nickelba­ sislegierungen wie Hastalloy, Inconel, Metall-Oxiden, -Nitriden, -Siliziden oder dergleichen, und insbesondere alu­ miniumhaltige Pulver bzw. Pulvermischungen, wobei die Pulver­ mischungen auch hochschmelzende Bestandteile enthalten können wie beispielsweise Platin oder dergleichen. Das verwendete Pulver und seine Teilchengröße ist vom jeweiligen Einsatz­ zweck abhängig. Bevorzugte eisenhaltige Pulver sind die Le­ gierungen 316 L, 304 L, Inconel 600, Inconel 625, Monel und Hastalloy B, X und C. Weiterhin kann das sinterfähige Materi­ al ganz oder teilweise aus Kurzfasern bzw. Fasern sein, vor­ zugsweise Fasern mit Durchmessern zwischen etwa 0,1 und 250 µm und einer Länge von wenigen µm bis zu Millimetergröße, bis hin zu 50 mm wie z. B. Metallfaservlies.

Ist es gewünscht, Verbundteile herzustellen, welche bei­ spielsweise auf der Stirnseite eines aus Stahl oder Gußeisen bestehenden Körpers eine gesinterte Schicht aus dem sinterfä­ higen Material aufweisen sollen, so wird im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens das sinterfähige Material beispielsweise über übliche Methoden auf den Grundkörper auf­ gebracht, es kann jedoch auch vorgesehen sein, beispielsweise das Material in Pulverform aufzusprühen (Wet Powder Spraying: WPS). Hierzu ist es notwendig, eine Suspension des sinterfä­ higen Materials herzustellen. Die hierfür notwendige Suspen­ sion umfaßt vorzugsweise Lösemittel, Bindemittel, Stabilisa­ toren und/oder Dispergiermittel. Besonders bevorzugte Löse­ mittel sind ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Wasser, Me­ thanol, Ethanol, Isopropanol, Terpene, C₂-C₅-Alkene, Toluol, Trichlorethylen, Diethylether und/oder C₁-C₆-Aldehyde und/oder Ketone. Bevorzugt sind hierbei Lösemittel, die bei Temperaturen unter 100°C verdampfbar sind. Die Menge der verwendeten Lösemittel liegt in einem Bereich von etwa 40 bis 70 Gew.%, bezogen auf die eingesetzte sinterfähige Pulvermi­ schung, bevorzugt in einem Bereich von etwa 50 bis 65 Gew.%.

Die im dritten Schritt erfolgende Nachverdichtung (welche auch Zwischenverdichtung genannt werden kann) kann durch für die Pressung eines Grünlings übliche und bekannte Verfahren vorgenommen werden. So kann beispielsweise der im zweiten Schritt gepreßte Grünling erneut in eine übliche Matrizenform eingebracht und in dieser zumindest teilweise durch entspre­ chende Preßstempel nachverdichtet werden. Vorzugsweise können die Nachverdichtwerkzeuge ganz oder teilweise konisch ausge­ legt werden, so daß an bestimmten vorherbestimmten Stellen des Grünlings besonders hohe Verdichtungen erreicht werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem dritten Schritt in einem weiteren Schritt der Grünling entwachst. Das Entwachsen erfolgt vor­ zugsweise unter Stickstoff, Wasserstoff, Luft und/oder Mi­ schungen der genannten Gase, insbesondere auch mit gezielter Luftzuführung. Weiterhin kann die Entwachsung mit Endogas und/oder Exogas vorgenommen werden, jedoch auch im Vakuum. Die Entwachsung kann bevorzugt durch überlagerte Mikrowellen und/oder Ultraschall, oder aber nur über Mikrowellen zur Tem­ peraturführung erfolgen. Schließlich kann das Entwachsen auch über Lösemittel wie Alkohol o. ä. oder überkritischem Kohlen­ dioxid mit oder ohne Einwirkung von Temperatur, Mikrowellen oder Ultraschall oder Kombination der vorgenannten Verfahren vorgenommen werden.

Vorteilhafterweise wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit der im dritten Schritt vorgenommenen Nachverdichtung eine Dichte erzielt, welche etwa 2 bis etwa 40% über derjenigen vor dem Nachverdichten liegt, bevorzugt 5 bis 30%, weiter be­ vorzugt 15 bis 25%.

Vorzugsweise werden im zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens Grünlinge mit einer Ausgangsdichte in einem Be­ reich von 2,1 bis 2,5 g/cm³, bevorzugt 2,2 bis 2,4 g/cm³, weiter bevorzugt 2,25 bis 2,38 g/cm³, gemessen gemäß DIN ISO 2738, gepreßt.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens wird vorteilhafterweise eine Form, in welche der ge­ gebenenfalls entwachste Grünling eingebracht wird, vor Ein­ bringung des Grünlings mit einem Gleitmittel besprüht. Es kann auch der entwachste Grünling in Gleitmittel getränkt werden. Weiterhin ist besonders vorteilhaft, daß der Sinter­ prozeß im vierten Schritt unter Stickstoff mit einem Taupunkt kleiner -40°C, bevorzugt kleiner -50°C, durchgeführt wird. Hierbei erfolgt das Sintern vorzugsweise unter reinem Stick­ stoff. Weiterhin kann das Sintern bei entsprechender Dichte und/oder Zusammensetzung des Grünlings auch unter Luft, Was­ serstoff, Mischungen aus Stickstoff und Wasserstoff mit oder ohne gezielte Luftzuführung, Endogas, Exogas oder im Vakuum durchgeführt werden, wobei das Sintern durch überlagerte Mi­ krowellen oder aber über Mikrowellen zur Temperaturführung erfolgen kann.

An den Sinterschritt kann vorzugsweise unmittelbar eine gege­ benenfalls notwendige Wärmebehandlung, insbesondere ein Homo­ genisierungsglühen, angeschlossen werden. Dabei kann die Wär­ mebehandlung in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung des erhaltenen Bauteils durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich zur Wärmebehandlung kann das gesinterte Bauteil auch ausgehend von der Sinter- bzw. Homogenisierungsglühtem­ peratur vorzugsweise in Wasser oder aber über eine Gas­ schroffkühlung abgeschreckt werden.

Vor oder nach dem Sintern ist eine zusätzliche Oberflächen­ verdichtung, allgemeiner: ein Einbringen von Druckeigenspan­ nungen in Oberflächenbereiche, durch Sand- oder Kugelstrah­ len, Rollieren o. ä. möglich. Ebenso kann vor oder nach dem Homogenisierungsglühen eine Kalibrierung vorgenommen werden. Hierbei erfolgt die Kalibrierung bei Raumtemperatur oder er­ höhter Temperatur bis hin zur Schmiedetemperatur, auch unter Anwendung von Drücken bis 900 N/mm². Gegebenenfalls kann das Kalibrieren sogar oberhalb der Soliduslinie vorgenommen wer­ den, wobei dann das Bauteil auch direkt der Sinterhitze ent­ nommen werden kann.

Die zur Kalibrierung verwendeten Kalibrier- und/oder Schmie­ dewerkzeuge können ganz oder teilweise konisch ausgebildet sein, wodurch an bestimmten Bereichen der Bauteile besonders hohe Verdichtungen erreicht werden können. Die Temperatur der Kalibrier- und/oder Schmiedewerkzeuge kann hierbei in Abhän­ gigkeit des zu bearbeitenden Bauteils differieren und gegebe­ nenfalls im isothermen Bereich gehalten werden. Eine Ober­ flächenverdichtung bzw. Einbringung von Druckeigenspannungen in die Oberfläche ist auch vor oder nach einer Wärmebehand­ lung bzw. dem Kalibrieren möglich.

Schließlich können abschließend noch Beschichtungen auf das gesinterte Bauteil aufgebracht werden. Bevorzugt sind hierbei Verfahren, mit welchen die Bauteile hartcoatiert und/oder eloxiert werden, wie beispielsweise thermische Sprühverfahren wie Plasmaspritzen, Flammspritzen oder aber physikalische und/oder chemische Verfahren wie PVD, CVD o. ä. Jedoch können Beschichtungen auch auf rein chemischem Wege wie beispiels­ weise durch Gleitlacke, welche Teflon enthalten können, oder Nanocomposite-Materialien aufgebracht werden. Durch eine Be­ schichtung kann die Oberfläche der Bauteile hinsichtlich der Härte, Rauhigkeit und des Reibkoeffizienten genau auf den Einsatzzweck abgestimmt modifiziert werden.

Dieser und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beispiele erläutert.

Beispiel 1:

Ein Al-Basispulver der Zusammensetzung Al4Cu1Mg0,5Si (ent­ spricht der Bezeichnung AC2014 einer konventionellen Alumini­ um-Legierung, wobei das Basispulver 4 Gew.% Cu, 1 Gew.% Mg, 0,5 Gew.% Si und 94,5 Gew.% Al, bezogen auf die Gesamtmenge an Pul­ ver, aufweist) der Firma ECKA Granulate GmbH & Co. KG, Vel­ den, Deutschland, mit der Firmenbezeichnung ECKA Alumix 123 (92,5 Gew.% Al), mit 1,5 Gew.% eines Amidwachses als Bindemit­ tel der Firma Hoechst mit der Bezeichnung Mikrowachs C wurde mit Molybdän- bzw. Wolfram-Pulver gemäß nachstehender Tabelle 1 gemischt. Die Mischung erfolgte hierbei in einem Taumelmi­ scher durch Zugabe des Molybdän- bzw. Wolfram-Pulvers zu dem vorgelegten Al-Basispulver bei Raumtemperaturen über 5 min.

Das Al-Basispulver wies eine Korngrößenverteilung zwischen 45 und 200 µm auf, wobei der mittlere Partikeldurchmesser D₅₀ 75 bis 95 µm betrug. Das zugemischte Molybdän- bzw. Wolfram- Pulver wurde von der Firma H. C. Starck GmbH & Co. KG, Goslar, Deutschland, bezogen und wies einen mittleren Partikeldurch­ messer D₅₀ von 25 µm mit einer Korngrößenverteilung in einem Bereich von etwa 5 bis 50 µm auf.

Anschließend wurde die Pulvermischung in eine Matrizenform gegeben und unter einem Druck von etwa 175 N/mm² (berechnet für eine Radstirnfläche von 20 cm²) über etwa 0,2-0,5 sec bei Raumtemperatur zu einem Grünling in Form eines Pumpenra­ des gepreßt. Die Dichte der Grünlinge betrug etwa 2,35 bis 2,38 g/cm³. Anschließend wurde der so hergestellte Grünling für etwa 30 min bei etwa 430°C entwachst und dann bei einer Sintertemperatur von 610°C unter reiner Stickstoffatmosphäre mit einem Taupunkt von -50°C in einem Bandofen, welcher auf eine Geschwindigkeit von 3,4 m/h eingestellt war, über 30 min gesintert. Hierbei befanden sich die Grünlinge auf Al₂O₃- Platten. Anschließend wurde ein Homogenisierungsglühen durch­ geführt über 1,5 h bei einer Temperatur von 515°C. Anschlie­ ßend wurde das gesinterte Pumpenrad schockgekühlt durch Ab­ schrecken mit Wasser mit einer Temperatur von etwa 40°C über 10 sec.

Anschließend wurde eine Kalibrierung auf eine theoretische Dichte von 97 bis 98% unter Anwendung eines Druckes von etwa 810 N/mm² bei 200°C vorgenommen.

Nach dem Kalibrieren wurde dann noch eine Aushärtung der ge­ sinterten Pumpenräder in der Wärme bei 160°C über 16 h durchgeführt. Anschließend wurde die Zugfestigkeit R_m, das Elastizitätsmodul sowie die Dehnung gemäß DIN EN 10002-1 an standardisierten Proben bestimmt. Weiterhin wurde die Härte gemäß DIN EN 24498-1 (Brinell-Härte) mit einer gehärteten Stahlkugel als Eindringkörper mit einem Durchmesser von 2,5 und mit einer Last von 62,5 kg ermittelt. Die ermittelten Werte sind in der nachfolgenden Tabelle 1 wiedergegeben.

Tabelle 1

Beispiel 2

Die vorstehend unter Ziffer 1 genannten Versuche wurden wie­ derholt, wobei jedoch zusätzlich ein Kupfer-Pulver, welches von der Firma Eckart Granules unter der Marke Ecka Kupfer CH- S vertrieben wird, beigemischt wurde. Die Beimischung erfolg­ te derart, daß zunächst das Molybdän- bzw. Wolfram-Pulver mit dem Kupfer-Pulver in einem Taumelmischer bei Raumtemperatur 5 min vermischt und dieses anschließend in einem Taumelmischer zu dem Al-Basispulver über 5 min zugemischt wurde. Das Kup­ fer-Pulver wies einen mittleren Partikeldurchmesser D₅₀ von 25 µm und eine Korngrößenverteilung in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 50 µm auf. Das Kupfer-Pulver wurde elektrolytisch hergestellt, die einzelnen Partikel lagen in dendritischer Form vor.

Es wurden unterschiedliche Mischungen hergestellt, wobei die­ se wie unter Ziffer 1 beschrieben mit und ohne Nachverdich­ tung zu Pumpenrädern gesintert wurden. Für die Nachverdich­ tung wurde nach dem Pressen der Grünling unter einer Stick­ stoff-Atmosphäre für 30 min bei etwa 430°C entwachst und an­ schließend in einer zu der ersten Form identischen Matrizen­ form, welche mit dem Gleitmittel GLEITMO 300, Fuchs Lubritech GmbH, Weilerbach, Deutschland, besprüht wurde, bei einem Druck von 760 N/mm² für etwa 0,2-0,5 sec bei Raumtemperatur derart nachverdichtet, daß die Dichte des nachverdichteten Grünlings bei etwa 2,8-2,9 g/cm³ und damit um etwa 19-­ 23% über derjenigen des nicht nachverdichteten Pumpenrad- Grünlings und somit bei etwa 95% der theoretischen Dichte lag.

Anschließend wurden die erzeugten Grünlinge wie vorstehend beschrieben gesintert, auf eine theoretische Dichte von 97-­ 98% kalibriert bei einem Druck von 810 N/mm², jedoch bei Raumtemperatur, und ausgehärtet. Das Mischungsverhältnis zwi­ schen Molybdän- bzw. Wolfram-Pulver zu dem Kupfer-Pulver be­ trug 5 : 1 Gewichtsanteile. Der Tabelle 2 können die Mischungs­ verhältnisse sowie die ermittelten physikalischen Werte entnommen werden.

Tabelle 2

Wie der Tabelle 2 entnommen werden kann, werden durch eine Nachverdichtung die physikalischen Eigenschaften positiv be­ einflußt. Insbesondere kann eine weitere Steigerung der Härte der hergestellten Pumpenräder erzielt werden.

Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, gesinterte Bauteile, insbesondere auf Basis eines Al-Pulvers, herzustel­ len, welche nicht nur ausgezeichnete Festigkeitswerte, son­ dern insbesondere eine hohe Härte aufweisen. Hierdurch können derartige Bauteile vorteilhafterweise an stark beanspruchten Stellen, insbesondere im Motor oder aber Getriebe, eingesetzt werden. Zudem können durch den möglichen Wegfall der Kali­ brierung und der Aushärtung durch Auslagerung in der Wärme gesinterte Bauteile günstiger und schneller produziert wer­ den.

Claims (15)

1. Sinterfähige Pulvermischung zur Herstellung gesinterter Bau­ teile, umfassend 60 bis 98,5 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmen­ ge der Pulvermischung, eines Al-Basispulvers aus Metallen und/oder deren Legierungen, umfassend Al, 0,2 bis 30 Gew.% Mg, 0,2 bis 40 Gew.% Si, 0,2 bis 15 Gew.% Cu, 0,2 bis 15 Gew.% Zn, 0,2 bis 15 Gew.% Ti, 0,2 bis 10 Gew.% Sn, 0,5 bis 5 Gew.% Mn, 0,2 bis 10 Gew.% Ni und/oder weniger als 1 Gew.% an As, Sb, Co, Be, Pb und/oder B, wobei die Gewichtsprozentanteile jeweils bezogen sind auf die Gesamtmenge an Al-Basispulver, und 0,8 bis 40 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmenge der Pulvermischung, eines Metallpulvers ausgewählt aus einer ersten Gruppe von Metallen und/oder deren Legierungen, bestehend aus Mo und/oder W.

2. Sinterfähige Pulvermischung gemäß Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Pulvermischung weiterhin eine zweite Gruppe von Metallen und/oder deren Legierungen, bestehend aus Cu, Sn, Zn, Li und/oder Mg umfaßt.

3. Sinterfähige Pulvermischung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Menge der ersten Gruppe von Metallen und/oder deren Legierungen zu derjenigen der zweiten Gruppe in der Pulvermischung in einem Bereich von 1 : 8 bis 15 : 1 Gewichtsanteilen liegt.

4. Sinterfähige Pulvermischung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Al-Basispulver neben Al 0,2 bis 15 Gew.% Mg, 0,2 bis 16 Gew.% Si, 0,2 bis 10 Gew.% Cu und/oder 0,2 bis 15 Gew.% Zn, bezogen jeweils auf die Gesamtmenge des Al-Basispulvers, aufweist.

5. Sinterfähige Pulvermischung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gruppe von Metallen und/oder deren Legierungen Cu, Zn und/oder Sn aufweist.

6. Sinterfähige Pulvermischung gemäß einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schmier­ mittel in einer Menge von 0,2 bis 5 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmenge der Pulvermischung, umfaßt.

7. Gesintertes Bauteil, welches zumindest teilweise herge­ stellt ist aus einem sinterfähigen Pulver gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.

8. Gesintertes Bauteil gemäß Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es eine Zugfestigkeit von mindestens 140 N/mm², gemessen gemäß DIN EN 10002-1, aufweist.

9. Gesintertes Bauteil gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es ein Elastizitätsmodul von mindestens 70 kN/mm², gemessen gemäß DIN EN 10002-1, aufweist.

10. Gesintertes Bauteil gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Härte (HB 2,5/62,5 kg) von mindestens 100, gemessen gemäß DIN EN 24498-1, aufweist.

11. Verfahren zur Herstellung von gesinterten Bauteilen, auch Verbundteilen, aus einer Pulvermischung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei
in einem ersten Schritt die Pulvermischung in eine er­ ste Form eingegeben wird;
in einem zweiten Schritt die Pulvermischung zu einem Grünling gepreßt wird;
in einem dritten Schritt der Grünling mindestens teil­ weise nachverdichtet wird; und
in einem vierten Schritt der nachverdichtete Grünling gesintert wird.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem dritten Schritt der Grünling entwachst wird.

13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der im dritten Schritt vorge­ nommenen Nachverdichtung erzielte Dichte des Grünlings etwa 2 bis 40% über derjenigen vor dem Nachverdichten liegt.

14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im dritten Schritt vor Einbringung des Grünlings in eine zweite Form diese mit einem Gleit­ mittel besprüht wird.

15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterprozeß im fünften Schritt unter Stickstoff mit einem Taupunkt kleiner -40°C durch­ geführt wird.