DE3043321A1

DE3043321A1 - Sinterprodukt aus metall-legierung und dessen herstellung

Info

Publication number: DE3043321A1
Application number: DE19803043321
Authority: DE
Inventors: Phillip J. Cleveland Heights Ohio Andersen
Original assignee: Gould Inc
Current assignee: Clevite Industries Inc
Priority date: 1979-11-26
Filing date: 1980-11-17
Publication date: 1981-05-27
Also published as: JPH0250172B2; CA1177287A; BR8007687A; FR2469970B1; GB2065710A; JPS56123301A; AU539115B2; MX154581A; GB2065710B; FR2469970A1; DE3043321C2; AU6444580A

Description

PATENTANWÄLTE

, TISCHER · KERN & BREHM ύ>- 3043321

Albert-Ro3shaupter-Stra3se 65 D 8000 München 70 ■ Telefon (089) 7605520 Telex 05-212284 patsd ■ Telegramme Kernpatent München

GOULD INC₁ 17. November 1980

10 Gould Center, . GD-42

Rolling Meadows, Illinois 60008,
U. S. A.

Sinterprodukt aus Metall-Legierung
und dessen Herstellung

Beschreibung:

Diese Erfindung betrifft das technische Gebiet der Pulvermetallurgie; insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung hochdichter Sinterkörper in Form einer Metall-Legierung aus pulverförmigen Metallteilchen; ferner betrifft die Erfindung die nach einem solchen Verfahren erhaltenen Produkte.

Seit vielen Jahren ist man in der Pulvermetallurgie bestrebt, strukturelle Pulvermetall-Legierungen zu erzeugen, welche im

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gesinterten Zustand eine hohe Dichte aufweisen. Hierzu sind verschiedene Verfahren entwickelt worden, um die Porosität der Pulverlegierungen auf einen Minimalwert herabzusetzen, um dadurch die Dichte der gesinterten Produkte bis nahe an die theoretisch erzielbare Dichte zu erhöhen.

Beispielsweise ist zur Erzeugung hochdichter Pulvermetallprodukte bekannt, eine zweite Bearbeitungsstufe vorzusehen, wie die Warm- oder Kaltformgebung und/oder das isostatische Pressen in der Wärme. Diese zweite Bearbeitungsstufe erhöht jedoch die Kosten des Fertigproduktes erheblich und soll daher, soweit wie möglich, vermieden werden.

Darüberhinaus ist zur Erzeugung relativ hochdichter Pulverprodukte bekannt, diese bei einer Temperatur zu sintern, wo eine flüssige Phase auftritt. Ein großer Anteil der Forschungsarbeiten in diesem Gebiet sieht die Bildung einer flüssigen Ubergangsphase vor. Das Auftreten einer flüssigen Phase ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, daß eine Reihe Probleme hinsichtlich der Zuverlässigkeit, insbesondere hinsichtlich der Sprödigkeit auftreten. Darüberhinaus wird bei solchen Verfahren die Steuerung der exakten Sintertemperatur sehr bedeutsam, was bei Vorgängen im industriellen Maßstab sehr schwierig einzuhalten ist.

Ferner ist es bekannt, zur Erzeugung von relativ hochdicaten Pulverprodukten von sehr feinen Pulverkörnern auszugehen, Biese

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Technik, wie sie "beispielsweise in der US-Patentschrift 3 744 993 angegeben ist, erfordert besondere Verfahrensschritte zur Erzeugung des feinen Pulvers und zur Gewährleistung, daß das gesamte Pulver eine geeignete Teilchengröße besitzt. Daher ist auch dieses Verfahren nicht ohne signifikante Schwierigkeiten. In dieser Hinsicht mag die größte Schwierigkeit darin liegen, daß bei solchen Pulvern die Gefahr einer Selbstentzündung umso größer wird, je kleiner die Teilchengröße des Pulvers ist. Ersichtlich ist es wünschenswert, die mit der Anwendung von solchen pyrophoren Materialien verbundenen Schwierigkeiten zu vermeiden oder möglichst gering zu halten.

Davon ausgehend besteht die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Erzeugung von Sinterprodukten aus einer Metall-Legierung mittels pulvermetallurgischer Maßnahmen anzugeben, welche Produkte ein höheres Ausmaß der Verdichtung aufweisen, als sie bei ähnlichen, nach bekannten Verfahren erhaltenen Produkten auftritt.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung hochdichter Pulvermetall-Legierungen aus Pulvern anzugeben, welches Verfahren einen einzigen Verdichtungsschritt sowie die Durchführung der Sinterung vorsieht.

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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten gesinterten Pulvermetallgegenstand bereitzustellen, der eine relativ hohe Dichte besitzt.

Schließlich besteht ein weiteres Ziel der Erfindung darin, ein pulvermetallurgisches Verfahren zur Erzeugung von hochdichtem gesinterten Metall anzugeben, bei welchem der Anteil an zur Erzeugung des Produktes erforderlichen feinen Teilchen vermindert ist, um dadurch diejenigen Schwierigkeiten zu vermindern, die mit der Handhabung pyrophorer Materialien auftreten.

Weitere Aufgaben, Ziele, Vorteile und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Patentansprüchen.

Nach einem Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines gesinterten Gegenstandes aus einer Pulvermetall-Legierung, welcher»Gegenstand seinerseits aus einem Grundmetall und einem legierungsbildenden Metall besteht, und welcher Gegenstand durch eine Dichte charakterisiert ist, die nahezu der theoretischen Dichte entspricht. Dieses erfindungsgemäße Verfahren sieht die nachstehenden Verfahrensschritte vor:

a) es werden Grundmetallteilchen einer mittleren Teilchengröße größer als 40 um bereitgestellt;

b) es werden mit diesen Grundmetallteilchen legierbare, legierungsbildende Teilchen einer mittleren

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Teilchengröße von 20 um oder kleiner bereitgestellt;

c) die "beiden Sorten Pulverteilchen werden zu einem Teilchengemisch vermischt, das zu einem Produkt von nahezu theoretischer Dichte sinterbar ist, in welchem Teilchengemisch die legierungsbildenden Teilchen den kleineren Anteil ausmachen;

d) das Teilchengemisch wird zu einem Gegenstand der angestrebten Gestalt geformt bzw. verdichtet, der eine ausreichende Preßdichte (green density) besitzt, damit daraus durch Sinterung ein Produkt von nahezu theoretischer Dichte erzeugbar ist; und

e) der Gegenstand wird unterhalb einer solchen Temperatur gesintert, bei der irgendeine flüssige Phase im Gegenstand auftritt*

Nach einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung einen gesinterten Gegenstand aus einer Pulvermetall-Legierung, dessen Dichte nahezu den theoretischen Wert erreicht, welcher Gegenstand ähnliche Eigenschaften wie ein Gegenstand aus einer Knetmetall-Legierung gleicher chemischer Zusammensetzung besitzt· Die Besonderheit dieses Sinterproduktes besteht darin, daß es durch ein Verfahren mit den"nachstehenden Verfahrensschritten erhalten worden ist:

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a) es werden Grunclmetallteilchen mit einer mittleren Teilchengröße größer als 40 um bereitgestellt;

b) es werden mit diesen Grundmetallteilchen legierbare, legierungsbildende Teilchen einer mittleren Teilchengröße von 20 um oder kleiner bereitgestellt;

c) die beiden Sorten Pulverteilchen werden zu einem Teilchengemisch vermischt, das bis zu einem Produkt von nahezu theoretischer Dichte sinterbar ist, in welchem Teilchengemisch die legierungsbildenden Teilchen den kleineren Anteil ausmachen;

d) das Teilchengemisch wird zu einem Gegenstand der angestrebten Gestalt geformt bzw. verdichtet, der eine ausreichende Preßdichte besitzt, damit daraus durch Sinterung ein Produkt von nahezu theoretischer Dichte erzeug-bar ist; und

e) dieser Gegenstand wird unterhalb einer solchen Temperatur gesintert, bei der irgendeine flüssige Phase im Gegenstand auftritt.

Nachstehend wird die Erfindung im einzelnen mit Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen ihrer Realisierung erläutert. Wie bereits ausgeführt, betrifft die vorliegende Erfindung einen neuen Sintergegenstand aus einer Pulvermetall-Legierung sowie ein Verfahren zur Herstellung'dieses Gegenstandes.

Im einzelnen wird der erfindungsgemäße Gegenstand aus wenigstens zwei besonderen Sorten von Pulvermetallteilchen erzeugt, nämlich

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aus legierungsbildenden Teilchen und aus Grundmetallteilchen, welche Teilchen wiederum miteinander vermischt werden, das erhaltene Gemisch verdichtet wird, und der dabei gebildete Preßkörper schließlich in solcher Weise gesintert wird, daß im Verlauf der Sinterung keine flüssige Phase auftritt. In dieser Hinsicht soll die Angabe "legierungsbildende Teilchen" Teilchen aus einem oder mehreren elementaren Metallen einschließen, welche sich unter Bildung einer Legierung vereinigen; ferner soll diese Angabe Teilchen aus vor-legiertem Material und Mischungen solcher Teilchen einschließen. Weiterhin soll die Angabe "Annäherung an" oder "nah© der theoretischen" Dichte eine solche Dichte bezeichnen, die höher (größer) als diejenige Dichte ist, welche ein ähnlicher Gegenstand dann aufweist, wenn er nach bekannten pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt worden ist.

Die chemische Zusammensetzung der legierungsbildenden Teilchen ist nicht von besonderer Bedeutung, solange gewährleistet ist, daß diese Teilchen mit den Grundmetallteilchen chemisch verträglich sind, d.h., dass die legierungsbildenden Teilchen mit jenen Grundmetallteilchen legierbar sind. Darüberhinaus wird angenommen, daß die relativen Diffusionsgeschwindigkeiten der legierungsbildenden Teilchen und der Grundmetallteilchen von relativ vergleichbarer Größenordnung sein sollen. Lediglich zum Zwecke einer beispielhaften Angabe, ohne darin eine Beschränkung der Erfindung zn sehen, sind in Verbindung mit Titan als Grundmetallteilchen-Material typische Materialien für die legierungsbildenden Teilchen Aluminium/

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Vanadium-Legierungen, Aluminium/Vanadium/Zinn-Legierungen und Aluminium/Zinn/Molybdän/Zirkonium-Legierungen. Für das Vermischen mit Grundmetallteilchen aus Eisen stellen Silicium, Wolfram, Molybdän, Chrom, Nickel und Vanadium typische Materialien für die legierungsbildenden Teilchen dar.

Um die maximalen Vorzüge der vorliegenden Erfindung zu realisieren, ist es wesentlich, daß die mittlere Teilchengröße der legierungsbildenden Teilchen 20 um oder weniger beträgt. Derartige Teilchen können nach verschiedenen bekannten Verfahren bereitgestellt werden. Im Rahmen dieser Erfindung ist festgestellt worden, daß derartige Teilchen besonders einfach durch Pulverisieren der legierungsbildenden Teilchen in einem handelsüblich zugänglichen Gerät erhalten werden; dieses Gerät ist in der Fachwelt unter der Bezeichnung "Szegvari 1-S attritor" bekannt und wird von Union Process Inc., Akron, Ohio, U.S.A., vertrieben. In der Praxis hat es sich als wünschenswert erwiesen, legierungsbildende Teilchen einzusetzen, deren mittlere Teilchengröße ungefähr 0,5 bis 20 um beträgt, wobei die besten Ergebnisse mit Teilchen einer mittleren Teilchengröße von ungefähr 2 bis ungefähr 10 um erhalten wurden.

Die für die praktische Durchführung der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Grundmetallteilchen können nach einer Vielzahl von bekannten Wegen und Verfahren erhalten werden; derartige Verfahren bilden keinen Bestandteil der vorliegenden

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Erfindung und sollen daher hier nicht beschrieben werden. Jedoch besteht ein wesentlicher Gesichtspunkt für die praktische Durchführung dieser Erfindung darin, daß die eingesetzten Grundmetallteilchen eine mittlere gewichtsmäßige Teilchengröße größer als 4-0 um aufweisen; gute Ergebnisse werden dann erhalten, wenn die mittlere gewichtsmäßige Teilchengröße dieser Grundmetallteilchen ungefähr 40 bis ungefähr 177 um beträgt; besonders hervorragende Ergebnisse werden dann erhalten, wenn die mittlere gewichtsmäßige Teilchengröße dieser Grundmetallteilchen etwa 44- bis 105 j™ "beträgt.

Typische Grundmetalle sind Titan, Zirkonium, Eisen und Nickel. Obwohl es im Rahmen dieser Erfindung vorzuziehen ist, die Grundmetallteilchen in Form chemisch reiner Materialien einzusetzen, soll die Angabe "Grundmetall"-Teilchen als Grundmetalle auch elementare Metalle und Metall-Legierungen einschließen, deren legierungbildendes Element oder deren legierungsbildende Elemente in kleineren Anteilen oder lediglich in Spuren vorhanden sind. Jedoch soll zumeist im Rahmen dieser Erfindung ein Grundmetall eingesetzt werden, das von handelsüblicher Reinheit ist, und das ausgewählte Metalle in einem Anteil von mehr als ungefähr 99 Gew.-% enthält.

Die legierungsbildenden Teilchen und die Grundmetallteilchen können nach irgendeinem üblichen Verfahren miteinander vermischt werden, beispielsweise durch einfaches mechanisches

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Verschneiden, solange die legierungsbildenden Teilchen in einem ausreichenden Anteil vorhanden sind, damit bei der Sinterung eine zufriedenstellende Verdichtung resultiert. Jedoch ist es wesentlich, daß der größere Anteil des Teilchengemisches aus den legierungsbildenden Teilchen oder den Grundmetallteilchen, von diesen Grundmetallteilchen gebildet wird. Für die praktische Durchführung der Erfindung wird es bevorzugt, daß, sofern das Grundmetall Titan ist, der Grundmetallteilchen-Anteil ungefähr 70 bis ungefähr 95 Gew.-% des Teilchengemisches ausmacht; besonders gute Ergebnisse werden dann erzielt, wenn in diesem Falle der Grundmetallteilchen-Anteil 75 bis 92 Gew.-% des Teilchengemisches ausmacht. Sofern das Grundmetall Eisen ist, soll der Grundmetallteilchen-Anteil vorzugsweise 70 bis 98 Gew.-% des Teilchengemisches betragen; besonders gute Ergebnisse werden in diesem Falle dann erzielt, wenn der Grundmetallteilchen-Anteil 85 bis 98 Gew.-% des Teilchengemisches ausmacht.

Beim Vermischen der legierungsbildenden Teilchen und der Grundmetallteilchen ist es wesentlich, daß das Gewichtsverhältnis der Teilchen in einer solchen Weise festgelegt wird, daß das erhaltene Teilchengemisch zu einem Formkörper verformbar ist, der daraufhin zu einem Sinterprodukt mit nahezu der theoretischen Dichte sinterbar ist, ohne daß irgendeine flüssige Phase auftritt. Das heißt, in Abhängigkeit von der besonderen Zusammensetzung der legierungsbildenden Teilchen

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können verschiedene Anteile oder Verhältnisse der legierungsbildenden Teilchen zu den Grundmetallteilchen vorgesehen werden. Solche Anteile bzw. Verhältnisse können empirisch festgelegt werden, solange die beiden Kriterien erfüllt sind, daß

a) die legierungsbildenden Teilchen eine mittlere gewichtsmäßige Teilchengröße von 20 um oder kleiner aufweisen; und

b) der aus dem Teilchengemisch gebildete Formkörper ausreichend verdichtbar ist, daß anschließend bei der Sinterung ein Sinterprodukt mit nahezu der theoretischen Dichte erhalten wird.

Bei der Erzeugung des erfindungsgemäß vorgesehenen Sinterproduktes sind keine besonderen Maßnahmen erforderlich, abgesehen davon, daß der aus dem Teilchengemisch gebildete Gegenstand ausreichend verdichtet sein muß, damit bei dessen nachfolgender Sinterung nahezu die theoretische Dichte des Sinterproduktes erreicht wird. Hierzu sind sowohl die üblichen Formpreßverfahren, wie isostatisch arbeitende Verfahren, erfolgreich angewandt worden. Bei der praktischen Durchführung der Erfindung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den aus dem Teilchengemisch gebildeten Preßkörper bis zu einer Dichte von etwa 65 bis etwa 90% der theoretischen Dichte zu verdichten; ausgezeichnete Ergebnisse wurden dann erhalten, wenn die Preßdichte dieses Gegenstands ungefähr 80 bis ungefähr 90% der theoretischen Dichte betragen hat.

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Nachdem dieser Formkörper einmal gebildet worden ist, kann er in üblicher Weise gesintert werden. Die tatsächlich angewandte, exakte Sintertemperatur wird etwas unterschiedlich sein und hängt von solchen Faktoren ab, wie der Zusammensetzung des Teilchengemisches und den /nteilen der verschiedenen, den Gegenstand aufbauenden Komponenten; die einzige und wesentliche Anforderung hinsichtlich der Sintertemperatur besteht darin, daß im Verlauf der Sinterung keine flüssige Phase auftreten darf.

Nachstehend sind typische physikalische Eigenschaften erfindungsgemäß hergestellter Sinterprodukte angegeben, sofern diese Titan als Grundmetall enthalten:

Bruchfestigkeit 950 N/mm²

Streckgrenze 861 N/mm Dehnung 15 %

Querschnittsverringerung 27 %

Zum Vergleich seien die Mindestwerte für diese Eigenschaften aufgeführt, wie sie mit ASTW B34-8 für einen geschmiedeten Gegenstand ähnlicher chemischer Zusammensetzung angegeben sind:

Bruchfestigkeit 896 N/mm²

Streckgrenze 827 N/mm

Dehnung 10 %

Querschnittsverringerung 25 %

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Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen mit Bezugnahme auf Beispiele beschrieben, die jedoch lediglich zur Erläuterung der Erfindung bestimmt sind, ohne diese einzuschränken.

Beispiel 1:

In Übereinstimmung mit einem bekannten Verfahren wurde ein 9,4· x 1,4-7 χ 1,52 cm großer Sinterkörper aus einer Legierung aus 90% Titan, 6% Aluminium und 4% Vanadium hergestellt.

Hierzu wurden angenähert 10 Gew.-% pulverförmige Al/V-Legierung der nominellen Zusammensetzung 60% Al und 40% V einer Teilchengröße kleiner 0,175 nun mit 90 Gew.,-% Titanpulver einer Teilchengröße kleiner 0,14-7 mm vermischt. Dieses

Teilchengemisch wurde daraufhin unter einem Druck von 6,9 N/cm in einer starren Form bis zu einer Rohdichte von ungefähr 88 bis 90% der theoretischen Dichte verdichtet; dieser Formkörper wurde daraufhin im Vakuum 4- h lang bei einer Temperatur von 1260 £ 14⁰C bis zu einer iertigdichte von ungefähr 94,5 bis 96,5% der theoretischen Dichte gesintert. Die-ses Sinterprodukt wies die nachstehenden physikalischen Eigenschaften auf:

Bruchfestigkeit 792 N/mm²

Streckgrenze 744 N/mm²

Dehnung 6 %

Querschnittsverringerung 9 %

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Beispiel 2:

Etwa 1 kg Al/V-Legierung (der nominellen Zusammensetzung 60% Al und 40% V) wurden zusammen mit etwa 18 kg Stahlkugeln (eines Durchmessers von $,2 mm) und ungefähr 1,9 1 Freon in einem Zerkleinerer (Szegvari S-1 attritor) gegeben und 30 min lang behandelt. Daraufhin wird die Aufschlämmung aus dem Zerkleinerer herausgenommen, und das Pulver getrocknet. Mittels einem üblichen Gerät (Coulter counter) wurde an diesem Pulver eine mittlere Teilchengröße von ungefähr 3*0 um bestimmt. Dieses Pulver wurde mit dem bereits genannten Titanpulver einer Teilchengröße kleiner 0,147 mm vermischt und anschließend analog zu Beispiel 1 verdichtet und gesintert. Der erhaltene Sinterkörper weist eine i'ertigdichte von 99»3 bis 99»8% der theoretischen Dichte auf. An diesem Sinterprodukt wurden die nachstehenden physikalischen Eigenschaften ermittelt:

Bruchfestigkeit 930 N/mm²

Streckgrenze 861 N/mm

Dehnung 15 %

Querschnittsverringerung 27 %

Beispiel 3:

Im wesentlichen wurde das Verfahren nach Beispiel 2 wiederholt; abweichend dauerte die Behandlung in dem Zerkleinerer

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lediglich 7 min; hierbei wurde ein Pulver einer mittleren Teilchengröße von angenähert 10 um erhalten; das daraus erhaltene Sinterprodukt wies eine Fertigdichte von 99,0% der theoretischen Dichte auf.

Beispiel 4·:

Im wesentlichen wurde das Verfahren nach Beispiel 2 wiederholt; abweichend wurden etwa 3,6 kg der pulverförmigen Al/V-Legierung in den Zerkleinerer gegeben; das zerkleinerte Pulver wies eine mittlere Teilchengröße von ungefähr 6,5 /im auf, was zu einem Sinterkörper mit einer Fertigdichte von 99,5% der theoretischen Dichte führte.

Beispiel 5ί

Im wesentlichen wurde das Verfahren nach Beispiel 2 wiederholt; abweichend wurde anstelle von Freon destilliertes Wasser in den Zerkleinerer gegeben. Unter Verwendung des dabei erhaltenen Al/V-Legierungspulvers wurde ein Sinterkörper mit einer Fertigdichte von 99,5 bis 99,8% der theoretischen Dichte erhalten.

Beispiel 6:

Im wesentlichen wurde das Verfahren nsch Beispiel 2 wiederholt; abweichend erfolgte die Sinterung bei einer Temperatur

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von 1204 +_ 14⁰C; der gebildete Sinterkörper wies eine Fertigdichte von 99»3 "bis 99*4% der theoretischen Dichte auf.

Beispiel 7:

Im wesentlichen wurde das Verfahren nach Beispiel 2 wiederholt; abweichend erfolgte die Verdichtung des Formkörpers

unter einem Preßdruck von ungefähr 4,1 N/cm . Hierbei ergab sich eine Preßdichte von 83 bis 84% der theoretischen Dichte. Nach der Sinterung wies der Sinterkörper eine Fertigdichte von 99»O bis 99*1% der theoretischen Dichte auf.

Beispiel 8:

Im wesentlichen wurde das Verfahren nach Beispiel 2 wiederholt; abweichend wurden anstelle der Stahlkugeln Mullitkugeln verwendet. Hierbei ergab sich ein Pulver mit einer mittleren Teilchengröße kleiner als 10 um. Das Sinterprodukt wies eine Fertigdichte von 99»5% der theoretischen Dichte auf.

Beispiel 9:

Im wesentlichen wurde das Verfahren'nach Beispiel 2 wiederholt; abweichend wurde ein Titanpulver verwendet, das ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,246 mm passierte und von einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,074 mm

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zurückgehalten wurde. Der erhaltene Sinterkörper wies eine Fertigdichte von 99/+% der theoretischen Dichte auf.

Beispiel 10:

Im wesentlichen wurde das Verfahren nach Beispiel 1 wiederholt; abweichend wurde das Teilchengemisch in der biegsamen i'orm einer isostatischen Presse unter einem Druck von angenähert 422 N/mm (60 000 psi) zu einem Formkörper in der i'orm eines Knüppels mit einem Durchmesser von etwa 7»5 cm gepreßt, der eine Preßdichte (green density) von etwa 86 bis 88% der theoretischen Dichte aufwies. Nach der Sinterung wies dieser Knüppel eine Dichte von 88 bis 92% der theoretischen Dichte auf.

Beispiel 11:

Im wesentlichen wurde das Verfahren nach Ββΐφ iel 10 wiederholt; abweichend wurde als Legierungspulver die nach Beispiel 2 zerkleinerte Al/V-Legierung eingesetzt. Nach der Sinterung wies dieser Knüppel (Durchmesser etwa 7»5 cm) eine Dichte von 99»8% der theoretischen Dichte auf.

Beispiel 12:

Man bereitete ein Gemisch aus einer pulverförmigen Al/V-Legierung (nominelle Zusammensetzung 50% Al und 50% V, Teilchen-

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größe kleiner 0,04-3 mm^ pulverförmigem Zinn (Teilchengröße kleiner 0,04-3 mm) und Titanpulver (Teilchengröße kleiner 0,14-7 mm) um ein Legierungspulver aus 86% Titan, 6% Aluminium, 6% Vanadium und 2% Zinn zu erhalten. Diese Pulvermischung wurde analog zu Beispiel 1 weiter verarbeitet und ergab ein Sinterprodukt mit einer Fertigdichte von ungefähr 96,6% der theoretischen Dichte. Dieses Sinterprodukt wies die nachstehenden physikalischen Eigenschaften auf:

Bruchfestigkeit 903 N/mm

Streckgrenze 779 N/mm

Dehnung 6 %

Querschnittsverringerung 10 %

Beispiel 13:

Eine pulverförmige Legierung aus 4-2% Aluminium, 4-2% Vanadium und 16% Zinn wurde analog zu Beispiel 2 zerkleinert. Anschliessend wurde das zerkleinerte Pulver mit Titanpulver einer Teilchengröße kleiner 0,14-7 mm vermischt und das dabei erhaltene Teilchengemisch analog zu Beispiel 1 weiterverarbeitet, um ein Sinterprodukt aus einer Legierung der Zusammensetzung 86% Titan, 6% Aluminium, 6% V und 2 % Zinn zu erzeugen. Dieses Sinterprodukt wies eine i'ertigdichte von angenähert 99,0% der theoretischen Dichte auf. An diesem Sinterprodukt wurden die nachstehenden physikalischen Eigenschaften ermittelt:

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Bruchfestigkeit 1048 N/mm²

2 Streckgrenze 952 N/mm

Dehnung 9 %

Querschnittsverringerung 16,7 %

n sich die obigen Beispiele auf die Herstellung von Sinterprodukten mit Titan als Grundmetall, so dienen die nachstehenden Beispiele 14 bis 22 zur Erläuterung der Erfindung anhand der Darstellung von Sinterprodukten mit Eisen als Grundmetall.

Beispiel 14:

Pulverförmiges elementares Silicium einer mittleren, gewichtsmäßigen Teilchengröße von ungefähr 60 jam wurde mit zerstäubten Eisen (Teilchengröße kleiner 0,175 mm? "Ancosteel 1000B") vermischt, um ein Teilchengemisch mit ungefähr 5 Gew.-/fe Silicium, Rest Eisen, zu erhalten. Dieses Teilchen-

gemisch wurde unter einem Preßdruck von 6,9 N/cm in die gewünschte i'orm gebracht; der erzeugte Formkörper wies eine Preßdichte von 6,6 g/cnr auf. Dieser Formkörper wurde daraufhin in einer Wasserstoffatmosphäre 2 h lang bei 1190⁰C gesintert. Der dabei gebildete Sinterkörper wies eine Dichte von 6,94 g/cnr auf, was etwa 90,7% der theoretischen Dichte entspricht.

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Beispiel 15:

Im wesentlichen wurde das Verfahren nach Beispiel 14 wiederholt; abweichend wurde das Silicium bis zu einer mittleren Teilchengröße von 4 um vermählen. Nach der Verdichtung wies der formkörper eine Preßdichte von 6,69 g/cm* auf. Der daraus gebildete Sinterkörper wies eine Fertigdichte von 7»4 g/cnr auf, was 96,7% <3er theoretischen Dichte entspricht.

Beispiel 16:

Im wesentlichen wurde das Verfahren nach Beispiel 15 wiederholt; abweichend wurde dem Teilchengemisch soviel Siliciumpulver zugesetzt, daß dieses 5% Silicium enthielt. Der aus diesem Teilchengemisch gebildete Formkörper wies eine Preßdichte von 6,29 g/ciir auf. Der daraus gebildete Sinterkörper wies eine i'ertigdichte von 7»17 g/cnr auf, was 95»O$6 der theoretischen Dichte entspricht.

Beispiel 17:

Eine Ferrosilicium-Legierung (einer angenäherten Zusammensetzung von 50 % Fe und 50 % Si) wurde.30 min lang in Freon bis zu einer mittleren, gewxchtsmäßigen Teilchengröße von ungefähr 2 um zerkleinert. Dieses Pulver wurde daraufhin dem in Beispiel 16 verwendeten Eisenpulver in einer ausreichenden Menge zugesetzt, damit das Teilchengemisch 2%

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Silicium, Rest Eisen enthielt. Dieses Teilchengemisch wurde zu einem Formkörper mit einer Preßdichte von 7*06 g/cnr verdichtet, und dieser Formkörper unter Wasserstoffatmosphäre 30 min lang bei 1121⁰G gesintert. Der dabei gebildete Sinterkörper wies eine Fertigdichte von 7,3 g/cnr auf, was 94,5% der theoretischen Dichte entspricht.

Beispiel 18:

Pulverförmiges, elementares Molybdän einer mittleren Teilchengröße von 9 um wurde mit dem in Beispiel 14 angegebenen Eisenpulver vermischt, um 3 verschiedene Fe/Mo-Teilchengemische zu erhalten, welche 1 bzw. 5 bzw. 10% Molybdän enthielten. Nach der Verdichtung wurden Formkörper mit einer Preßdichte von 7,25 g/cnr bzw. 7»32 g/cnr bzw. 7,38 g/cnr erhalten; zur Sinterung wurde 4 h lang unter Wasserstoffatmosphäre bei 126O⁰C gehalten; danach wies der Sinterkörper aus Eisen und 1% Molybdän eine Dichte von 7,28 g/cnr auf; der Sinterkörper aus Eisen und 5% Molybdän wies eine Dichte von 7,72 g/cnr auf; und schließlich wies der Sinterkörper aus Eisen und 10% Molybdän eine Dichte von 7,78 g/cnr auf; diese Sinterdichten entsprechen 92,3% bzw. 96,8% bzw. 96,3% der jeweiligen theoretischen Dichte.

Beispiel 19:

Im wesentlichen wurde das Verfahren nach Beispiel 18 wieder-

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holt; abweichend wurde das Eisenpulver mit Chrompulver
einer mittleren Teilchengröße von 5» 6 um vermischt, um
drei verschiedene Teilchengemische zu erzeugen, nämlich
Eisen mit 5% Chrom, Eisen mit 10% Chrom und Eisen mit 15%
Chrom. Aus den verschiedenen Teilchengemischen wurden Formkörper erzeugt; im einzelnen wies der Preßkörper aus Eisen
mit 5% Chrom eine Preßdichte von ungefähr 7»14 g/cnr auf und der daraus gebildete Sinterkörper eine Sinterdichte von ungefähr 7»15 g/cnr; der aus Eisen und 10% Chrom gebildete Formkörper wies eine Preßdichte von 6,93 g/cnr auf und der daraus gebildete Sinterkörper eine Sinterdichte von 7»38 g/cm*;
schließlich wies der aus Eisen und 15% Chrom gebildete Formkörper eine Preßdichte von 6,75 g/cm* auf und der daraus gebildete Sinterkörper eine Sinterdichte von 7»3O g/cm . Diese Sinterdichten entsprechen 91,3% bzw. 94,7% bzw. 94,4% der
,jeweiligen theoretischen Dichte.

Beispiel 20:

Im wesentlichen wurde das Verfahren nach Beispiel 19 wiederholt; abweichend wurde elektrolytisch reines Chrompulver einer Teilchengröße kleiner 0,147 mm verwendet. Aus einem Teilchengemisch der Zusammensetzung 10% Chrom, Rest Eisen, wurde ein Formkörper mit einer Preßdichte von 6,98 g/cm-⁷ erhalten; das aus diesem Formkörper gebildete Sinterprodukt wies eine Sinterdichte von 7>1 g/cm* auf. Der aus einem Teilchengemisch
aus Eisen'mit 15% Chrom gebildete Formkörper hatte eine Preß-

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dichte von 6,90 g/cnr und ergab ein Sinterprodukt mit einer Sinterdichte ion 6,96 g/cnr. Diese Sinterdichten entsprechen 91,1 bzw. 89,7% der jeweiligen theoretischen Dichte.

Beispiel 21:

Pulverförmiges Nickel (Inco 287) einer mittleren Teilchengröße von 5 bis 10 pm) wurde mit dem in Beispiel 14 angegebenen Eisenpulver vermischt, um ein Teilchengemisch '/.υ erhalten, das 10% Nickel enthält. Dieses Teilchengemisch wurde zu einem Formkörper einer Preßdichte von 7»21 g/cmr verdichtet, aus dem nach 4- h langer Sinterung im Vakuum bei 126O°C ein Sinterkörper mit einer Sinterdichte von 7*4-9 g/cm* erhalten wurde, was 94% der theoretischen Dichte entspricht.

Beispiel 22:

Im wesentlichen wurde das Verfahren nach Beispiel 21 wiederholt; abweichend wurde Nickelpulver verwendet, das ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,075 mm passierte und von einem Sieb mit einer lichten Haschenweite von 0,043 mm zurückgehalten wurde. Der aus dem entsprechenden Teilchengemisch gebildete Formkörper wies eine Preßdichte von 7i2i g/cnr · auf, welche sich bei der Sinterung nicht nennenswert veränderte. Die Sinterdichte des Sinterproduktes betrug 90,5% der theoretischen Dichte.

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Die nachfolgenden Beispiele betreffen die Verwendung von Zirkonium bzw. Nickel als Grundmetalle.

Beispiel 23:

Eine pulverförmige Al/V-Legierung (bestehend aus 60% Al und 40% V) wurde in I'reon 30 min lang zerkleinert, wonach ein Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 3 p& erhalten wurde. Dieses Pulver wurde mit pulverförmigem Zirkonium einer Teilchengröße kleiner als 0,147 mm vermischt, um ein Teilchengemisch aus 90% Zirkonium, 6% Aluminium und 4% Vanadium zu erhalten. Der aus diesem Teilchengemisch gebildete Formkörper wurde 4 h lang bei 1204⁰C im Vakuum (besser als 1 um Quecksilbersäule) gesintert. Wies der Formkörper vor der Sinterung eine Preßdichte von 4,58 g/cm* auf, so besaß der nach der Sinterung gebildete Körper eine Siiterdichte von 5»9O g/cnr, was 90,8% der theoretischen Dichte entspricht.

Beispiel 24:

Ein Ni/Al-Material (aus angenähert 67% Nickel und 33% Aluminium) wurde bis zu einer mittleren Teilchengröße von 3»0 um zerkleinert. Dieses Pulver wurde mit einem Nickelpulver einer solchen Teilchengröße, daß es ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 1,75 nun passiert und von einem Sieb mit einer lichten Waschenweite von 0,043 mm zurückgehalten wurde, vermischt; das erhaltene Teilchengemisch bestand zu 95»5% aus Nickel und zu 4,5% aus Aluminium. Der aus diesem Teilchengemisch gebildete

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iormkörper wies eine Preßdichte von 6,4 g/cnr auf. Der aus diesem Formkörper nach einer Sinterung von 4 h bei 1260⁰C im Vakuum erhaltene Sinterkörper wies eine Fertigdichte von ungefähr 7i1 g/cnr auf.

Beispiel 25:

Im wesentlichen wurde das Verfahren nach Beispiel 24 wiederholt; abweichend wurde eine ausreichende Menge Aluminium zugesetzt, damit das Teilchengemisch aus 92,5% Ni und 7i5% Al bestand. Der aus diesem Teilchengemisch gebildete Formkörper wies eine Preßdichte von 5,5 g/cnr auf; aus diesem Formkörper wurde nach der angegebenen Sinterung ein Sinterkörper mit einer Sinterdichte von 6,5 g/cnr erhalten.

Die Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden insbesondere bei einer Wertung der Beispiele deutlich. Beispielsweise wurde dargelegt, daß der nach einem herkömmlichen Verfahren aus einer pulverförmigen Legierung aus 90% Titan, 6% Aluminium, 4% Vanadin gebildete Sinterkörper lediglich eine Dichte von 94,5 bis 96,5% der theoretischen Dichte aufweist (vgl. Beispiel 1), während der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der identischen Legierung (90% Ti, 6% Al, 4% V) gebildete Sinterkörper eine Dichte von 99,3 bis 99,8% der theoretischen Dichte aufweist (vgl. Beispiel 2). Diese Unterschiede im Prozentgehalt der theoretischen Dichte sind außerordentlich bedeutsam, da ein Gegenstand mit einer Dichte von 99,3 bis 99»8% der theoretischen Dichte ähnliche

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oder gleiche chemische und physikalische Eigenschaften wie eine geschmiedete Legierung der gleichen Zusammensetzung aufweist, während ein Gegenstand mit einer Dichte von lediglich 94,5 *>is 96,5% der theoretischen Dichte dies nicht tut.

Es sei angemerkt, daß die in den Beispielen angegebenen Teilchengrößen mittels einem üblichen Meßgerät bestimmt worden sind, nämlich dem "Coulter counter", und daß die angegebenen Teilchengrößen die mittlere, gewichtsmäßige Teilchengröße darstellen, wie sie mit dieser Vorrichtung ermittelt worden sind.

Die gemäß dieser Erfindung ein altenen Sinterkörper mit Titan als Grundmetall zeichnen sich durch die Besonderheit aus, daß sie relativ hohe Anteile an Sauerstoff, bis zu ungefähr 0,30 bis 0,35 Gew.%, enthalten und dennoch ausgezeichnete Zähigkeit bzw. Duktilität (nämlich eine Dehnung von ungefähr 12 bis 13%) aufweisen. Dies steht im Gegensatz zu gegossenen oder geschmiedeten Gegenständen der gleichen chemischen Zusammensetzung (mit einem Sauerstoffgehalt von ungefähr 0,30 bis ungefähr 0,35%)» welche lediglich eine begrenzte Duktilität (entsprechend einer Dehnung von ungefähr 5 bis 6% aufweisen. Das heißt, bei den erfindungsgemäß hergestellten Sinterkörpern mit Tita'n als Grundmetall verbessert die Anwesenheit von relativ hohen Sauerstoffanteilen die Festigkeit, ohne gleichzeitig die Duktilität zu beseitigen. Derartige erfindungsgemäß hergeä; eilte Gegenstände sind daher

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ersichtlich solchen überlegen, die nach "bekannten Verfahren erhalten wurden.

Bei der praktischen Durchführung der Erfindung werden die Prozeßparameter bevorzugt so eingestellt, daß die resultierende Sinterdichte der betreffenden Pulvermetallgegenstände größer als ungefähr 97% der theoretischen Dichte ist, sofern als Grundmetall Titan dient, und diese Sinterdichte größer als ungefähr 93% der theoretischen Dichte ist, sofern als Grundmetall Eisen dient.

Wie dargelegt, ist die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert worden. I¹Ur Fachleute ist jedoch ersichtlich, daß verschiedene Änderungen und Modifizierungen der konkret beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen,wie er mit dem Gegenstand der Patentansprüche und deren Äquivalente umrissen ißt. Die Erfindung soll daher.auch alle diese Änderun-

gen und Modifizierungen umfassen.

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Claims

PATENTANWALTS

TISCHER · KERN & BREHM

Albert-Rosshaupter-Strasse 65 · D 8000 München 70 Telefon (089) 760S520 Telex 05-212284 patsd Telegramme Kernpatont München

GOULD INC., 17. November 1980

10 Gould Center, GD-42

Rolling Meadows,
Illinois 60008
U. S. A.

Sinterprodukt aus Metall-Legierung und dessen Herstellung

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung eines hochdichten Sinterproduktes aus Metall-Legierung,

gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) es werden Grundmetallteilchen einer mittleren Teilchengröße größer als 40 um bereitgestellt;

b) es werden mit diesen Grundmetallteilchen legierbare, legierungsbildende Teilchen einer mittleren Teilchengröße von 20 üb oder kleiner bereitgestellt;

c) die beiden Sorten Pulverteilchen werden zu einem Teilchengemisch vermischt, das zu einem Produkt von nahezu

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theoretischer Dichte sinterbar ist, in welchem Teilchengemisch die legierungsbildenden Teilchen den kleineren Anteil ausmachen;

d) das Teilchengemisch wird zu einem Gegenstand der angestrebten Gestalt geformt, der eine ausreichende Preßdichte besitzt, damit daraus durch Sinterung ein Produkt von nahezu theoretischer Dichte erzeugbar ist; und

e) der Gegenstand wird unterhalb einer solchen Temperatur gesintert, bei der irgendeine flüssige Phase im Gegenstand auftritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundmetallteilchen aus Titan, Eisen, Zirkonium, Nickel oder deren Legierungen bestehen.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundmetallteilchen eine mittlere gewichtsmäßige Teilchengröße von ungefähr 40 bis ungefähr 177 P& aufweisen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet _% daß als legierungsbildende Teilchen vorlegierte Teilchen dienen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

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die vorlegierten Teilchen aus einer Legierung aus Eisen und Silicium bestehen.

6. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß

die vorlegierten Teilchen aus einer Legierung aus Vanadium und Aluminium bestehen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche Λ bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

die legierungsbildenden Teilchen aus Silicium, Molybdän, Wolfram, Chrom, Nickel, Vanadium oder deren Gemische bestehen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 t dadurch gekennzeichnet, daß

die legierungsbildenden Teilchen eine mittlere gewichtsmäßige Teilchengröße von ungefähr 0,5 bis 20 jam aufweisen.

9· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß

das Teilchengemisch zu einer Preßdichte verdichtet wird, die ungefähr 70 bis ungefähr 90% der theoretischen Dichte auemacht.

10. Sinterprodukt aus Metall-Legierung mit nahezu der theoretischen Pichte,

gekennzeichnet durch die Herstellung nach einem Verfahren

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mit nachstehenden Verfahrensschritten:

a) es werden Grundmetallteilchen einer mittleren Teilchengröße größer als 40 um bereitgestellt;

b) es werden mit diesen Grundmetallteilchen legierbare, legierungsbildende Teilchen einer mittleren Teilchengröße von 20 um oder kleiner bereitgestellt 5

c) die beiden Sorten Pulverteilchen werden zu einem Teilchengemisch vermischt, das zu einem Produkt von nahezu theoretischer Dicht© sintsrbar ist, in welchem Teilchengemisch die legierungsbildeadea Teilehen den kleineren Anteil ausmachen^

d) das Teiichengemisch wird zu einem Gegenstand der angestrebten Gestalt geformt, der eine ausreichende Preßdichte besitzt, damit daraus durch Sinterung @ia Produkt von nahezu theoretischer Dichte eraeugbar ist? und

e) der Gegenstand wird unterhalb einer solchen Temperatur gesintert, bei der irgendeine flüssige Phase in dem Gegenstand auftritt.

11. Sinterprodukt nach Anspruch 1O₉ dadurch gekennzeichnet, daß

die legierungsbildenden Teilchen vorlegiert© Seileheai sind.

12. Sinterprodukt nach Ansprueii 11, dadurch gekennzeichnet, daß

die vorlegierten Teilchen aus eln©^ LegiQffang anas Eisen nand Silicium bestehen.

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13· Sinterprodukt nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vorlegierten Teilchen aus einer Legierung aus Vanadium und Aluminium bestehen.

14. Sinterprodukt nach einem der Ansprüche 10 "bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die legierungsbildenden Teilchen eine mittlere gewichtsmäßige Teilchengröße von ungefähr 0,5 his 20 um aufweisen,

15· Sinterprodukt nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundmetallteilchen eine mittlere gewichtsmäßige Teilchengröße von ungefähr 40 bis ungefähr 177 /im aufweisen.

16. Sinterprodukt nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die legierungsbildenden Teilchen aus Silicium, Molybdän, Wolfram, Chrom, Nickel, Vanadium oder deren Gemische bestehen.

17· Sinterprodukt nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundmetallteilchen aus Titan, iisen, Zirkonium, Nickel oder deren Legierungen bestehen.

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