DE2909290A1

DE2909290A1 - Verfahren zur pulvermetallurgischen herstellung eines verbundmaterials

Info

Publication number: DE2909290A1
Application number: DE19792909290
Authority: DE
Inventors: Hans Bergmann
Original assignee: FREYHARDT HERBERT C; MORDIKE BARRY L
Current assignee: FREYHARDT HERBERT C; MORDIKE BARRY L
Priority date: 1979-03-09
Filing date: 1979-03-09
Publication date: 1980-09-11
Also published as: DE2909290C2; US4336065A; EP0016961B1; EP0016961A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung eines in mindestens einer Dimension verformten Verbundmaterials aus mindestens einer, vorzugsweise zwei oder mehr Ausgangspulverkomponenten, von denen mindestens eine im Volumen oder an der Oberfläche mit Sauerstoff oder einer Sauerstoffverbindung verunreinigt ist und wobei als mindestens eine Ausgangspulverkomponente ein kubisch raumzentriertes Metall eingesetzt wird.

Die pulvermetallurgische Herstellung von Verbundmaterialien ist bekannt-. Meist werden zwei Ausgangspulverkomponenten, vorzugsweise zwei Metallpulver, gemischt, verdichtet, stranggepreßt und durch eine Verformung zu Drähten ausgezogen. Auf diese Weise entsteht ein Verbundmaterial, in dem die Ausgangspulverteilchen zu Fasern ausgezogen sind. Dieser Faserverbund ist in zwei Dimensionen verformt. Bei einer Verformung des Verbundmaterials nur in einer . Dimension werden die Pulverteilchen zu nicht zusammenhängenden Bändern ausgezogen. Bei der Herstellung dieser Verbundmaterialien werden die beiden Ausgangspulverkomponenten im allgemeinen vermischt, kompaktViert, gesintert und dann anschließend dem Verformungsprozeß unterworfen, bei dem die Pulverkörner zu langen Fasern ausgezogen werden. Speziell bei kleinen Pulverkorngrößen (kleiner gleich 40 um) der Ausgangspulverkomponenten ist jedoch durch Reaktion mit Luftsauerstoff und/oder schon während des Herstellungsprozesses des Pulvers Sauerstoff im Volumen interstitiell gelöst und/oder an der Oberfläche als entsprechendes Oxid gebunden. Der interstitiell gelöste Sauerstoff erhöht sowohl die Härte des Pulvers der Äusgangspulverkomponente als auch die kritische Temperatur des Duktil-Spröd-Oberganges. Dies hat zur Folge, daß ein

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durch einen Sintervorgang pulvermetallurgisch hergestelltes mehrfasiges Gefüge während einer Kaltverformung nicht in die gewünschte Faserstruktur überführt werden kann, weil die gehärteten Ausgangspulverkomponenten diese Verformung nicht im gewünschten Maße zulassen und praktisch als unverformte Teilchen bzw. als mehrfach zerrissene Faserstücke in der anderen Ausgangspulverkomponente vorliegen. Die mechanischen Eigenschaften eines solchen Verbundmaterials sind ungünstig, d.h. insbesondere die Zerreißspannung ist niedrig. (W.D. Jones "Fundamental Priciples of Powder Metallurgy", Arnold, London,1960; Metallische Verbundwerkstoffe, Festschrift der Fa. G. Rau, Pforzheim, 1977; Serie der Powder Metallurgy Joint Group of the Iron and Steel Institute and the Institute of Metalls, London).

Es ist bereits versucht worden, durch eine Reduktion mit Wasserstoff die mit Sauerstoff verunreinigte kubisch raumzentrierte Ausgangspulverkomponente, in Sonderheit Niob, bei Temperaturen um 1000 ⁰C zu reinigen. Da jedoch die frejfcen Bindungsenthalpien für interstitiell gelösten Sauerstoff und/oder für das entsprechende Oxid speziell bei übergangsmetallen über 100 (kcal/g-Atom Sauerstoff) (bei 25 ⁰C) betragen können, hat eine Reduktion des Metalles mit Wasserstoff, Kohlenmonoxid und ähnlichem bei Temperaturen bis 1000 ⁰C keinen Erfolg. (E. Fromm und E. Gebhardt "Gase und Kohlenstoff in Metallen, reine und angewandte Metallkunde in Einzeldarstellungen, Band 26, Springer Verlag, Berlin, 1976).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß damit ein duktiles Verbundmaterial herstellbar ist. Insbesondere soll beim Einsatz mehrerer Ausgangspulverkomponenten die Duktilität der Ausgangspulverkomponenten aneinander angeglichen werden.

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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der oder den Ausgangspulverkomponenten eine oder mehrere vergleichsweise unedlere Zusatzkomponenten mit einer vergleichsweise größeren Bindungsenthalpie für den Sauerstoff in Pulverform oder als Legierungszusatz zu einer oder mehreren Ausgangspulverkomponenten hinzugefügt und der Sauerstoff durch eine innere Pestkörperreduktion an diese Zusatzkomponente gebunden wird. Die Erfindung wendet sich damit vom Stand der Technik ab, gemäß welchem immer versucht worden war, den Sauerstoff aus dem Verbundmaterial herauszuholen bzw. die Diffusion von weiterem Sauerstoff während der einzelnen Verarbeitungsschritte möglichst zu unterbinden. Die Erfindung bindet den interstitiell gelösten Sauerstoff und/oder den an der Oberfläche adsorbierten Sauerstoff durch eine innere Festkörperreduktion an die Zusatzkomponente. Der Sauerstoff verbleibt dann in dem Verbundmaterial. Da der Sauerstoff nicht mehr interstitiell gelöst ist, kann er als ein Oxid der Zusatzkomponente sich nicht mehr nachteilig auf die Duktilität der Ausgangspulverkomponenten, insbesondere derjenigen mit dem kubisch raumzentrierten Gitter, auswirken. Durch die Zusatzkomponente, die eine vergleichsweise höhere Bindungsenthalpie zu dem Sauerstoff hat, ist eine erfolgreiche und vollständige Reinigung des oder der Ausgangspulverkomponenten von Sauerstoff möglich. Das Verfahren läßt sich mit besonderem Vorteil dann einsetzen, wenn zwei oder mehrere Ausgangspulverkomponenten benutzt werden.

Die Pestkörperreduktion wird in der Regel unter erhöhter Temperatur durchgeführt, wobei dieser Vorgang bei der Herstellung während der Glühbehandlung des Sinterns als innere

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Festkörperreduktion stattfindet. Dabei wird eine erneute Reaktion der gereinigten Ausgangspulverkomponenten mit Luftsauerstoff vermieden. Durch dieses Verfahren ist es möglich, auch durch Sauerstoff gehärtete Ausgangspulverkomponenten zu verpressen und - nach der Festkörperreduktion - durch Kaltverformung in eine Faserstruktur zu überführen. Es können auch Zusatzkomponenten eingesetzt werden, die keine oder nur eine geringe Löslichkeit in der oder den Ausgangspulverkomponenten besitzen.

Die Zusatzkomponente wird mengenmäßig in einem geringen Anteil zugesetzt, wobei der Anteil zwekmäßig so gering ist, daß das Verbundmaterial nur unwesentlich dispersionsgehärtet wird. Die Festkörperreduktion wird im Volumen des Gemisches aus Ausgangspulverkomponenten und der Zusatzkomponente durchgeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren besticht in erster Linie durch die Einfachheit der Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes, insbesondere mit hoher Dichte (extrem) dünner Fasern und einer damit verbundenen hohen Festigkeit. In Sonderheit trifft dies auf solche Materialien zu, die sich bislang aufgrund ihrer hohen Affinität zu Sauerstoff, durch eine Verformung nicht in eine Faserstruktur überführen ließen.

Erste erfolgreiche Anwendungen dieses Verfahrens führten zur Herstellung von supraleitendem Faserverbundmaterialien.

Als eine oder mehrere Zusatzkomponenten können Lathan, ein Lathanid, Kalzium, Beryllium, Magnesium, Lithium, Hafnium, Titan, Zirkon oder/und Aluminium eingesetzt werden. Be-

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sonders gute Arbeitsergebnisse werden auch erreicht, wenn als Ausgangspulverkomponenten Kupfer und das kubisch raumzentrierte Niob sowie als Zusatzkomponente 0,5 .. 2,0 Gew.% Aluminiumpulver eingesetzt werden. Hervorragende Eigenschaften wurden auch erzielt, wenn als Ausgangspulverkomponenten Kupfer und das kubisch raumzentrierte Vanadium sowie als Zusatzkomponente 2.. 10 Gew.% Kupferkalziumpulver eingesetzt werden.

Die Erfindung wird an zwei Ausführungsbeispielen weiter erläutert:

Beispiel 1;

Es wird ein Niob-Kupfer-Faserverbundwerkstoff hergestellt. Dabei wird handelsübliches Niobpulver {Korngröße ^ 20 pm) und Kupferpulver als Ausgangspulverkomponenten im Gewichtsverhältnis von 1 t 4 unter Zusatz von 0,5 .. 2,0 Gew.% Aluminiumpulver (Korngröße £ 10 μια) vermengt und bei ca. 1050 ⁰C stranggepreßt. Dabei reagiert das Aluminium mit dem pulvermetallurgisch eingebrachten Sauerstoff unter Bildung von Al₂O₃, wodurch die Mikrohärte H_v des Niob-Pulvers von 3500 auf 1000 ... 1200 N/mm² erniedrigt wird, überschüssiges Aluminium löst sich substitutioneil in dem Kupfer. Dadurch wird die Härte und Duktilität des Niobs und des Kupfers aneinander angeglichen. Das Verbundmaterial kann anschließend durch eine Kaltverformung (Walzen^ Hämmern, Drahtziehen) in eine bandförmige oder eine Faserstruktur überführt werden. Dabei werden je nach Pulvergröße und Verformungsgrad Faserdicken bis unter 100 mm erreicht. Ein Reißen der Fasern während der Verformung wird nicht beobachtet.

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Statt des Aluminiumpulvers als Zusatzkomponente können aber auch Magnesiumpulver oder Kalzium-Legierungs-Pulver Verwendung finden.

Beispiel 2:

Es soll ein Vanadium-Kupfer-Faserverbundwerkstoff hergestellt werden. Hierbei wird Vanadiumpulver (Korngröße

it 20 μΐη) mit Kupferpulver im Verhältnis von 1 : 2 vermengt und 2 bis 10 Gew.% Kupfer-Kalzium-Pulver beigefügt. Anschließend wird bei 1000 ⁰C stranggepreßt, wobei der Sauerstoffgehalt im Vanadium von ca. 3 at% auf weniger als 0.1 at% verringert wird. Nicht oxidiertes Kalzium wird als Cu~Ca ausgeschieden. Die anschließende Verformung des Gefüges führt dann zu einem Vanadium-Kupfer-Faserverbunddraht .

Auch hier können als Zusatzkomponente Aluminium- und/oder Magnesiumpulver eingesetzt werden.

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Claims

IHR ZEICHENIHR SCHRFIBEN VOMUNSER ZEICHEND-3400 QÖTTINQEN,VOUR REF.YOUR LEHEROUR REF.POTTERWEQ 610.257/n508.03.1979

1. Hans Bergmann, Bruchteichweg 22, 3392 Clausthal-Zellerfeld

2. Rüdiger Bormann, Bühlstraße 2, 3400 Göttingen

3. Herbert C. Freyhardt, Auf der Wessel 65, 3400 Göttingen

4. Barry L. Mordike, Hüttenweg 1, 3392 Clausthal-Zellerfeld

Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung eines Verbundmaterials

Patentansprüche:

1. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung eines in mindestens einer Dimension verformten Verbundmaterials aus mindestens einer, vorzugsweise zwei oder mehr Äusgangspulverkomponenten, von denen mindestens eine im Volumen oder an der Oberfläche mit Sauerstoff oder einer Sauerstoffverbindung verunreinigt ist und wobei als mind^ens eine Ausgangspulverkomponente ein kubisch raumzentriertes Metall eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der oder den Äusgangspulverkomponenten eine oder mehrere vergleichsweise unedlere Zusatz-

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komponenten mit einer vergleichsweise größeren Bindungsenthalpie für den Sauerstoff in Pulverform oder als Legierungsζusatζ zu einer oder mehreren Ausgangspulverkomponenten hinzugefügt und der Sauerstoff durch eine innere Festkörperreduktion an diese Zusatzkomponente gebunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzkomponente mengenmäßig in einem geringen Anteil zugesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörperreduktion im Volumen des Gemisches aus Ausgangspulverkomponenten und der Zusatzkomponenten durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als eine oder mehrere der Zusatzkomponenten Lanthan, ein Lanthanid, Kalzium, Beryllium, Magnesium, Lithium, Hafnium, Titan, Zirkon oder/und Aluminium eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangspulverkomponenten Kupfer und das kubisch raumzentrier'te Niob sowie älis Zusatz-komponente 0,5 ... 2,0 Gew.% Aluminiumpulver eingesetzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangspulverkomponenten Kupfer und das kubisch raumzentrierte Vanadium sowie als Zusatzkomponente 2 .. 10 Gew.% Kupferkalziumpulver eingesetzt wird.

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