DE3514299C2

DE3514299C2 -

Info

Publication number: DE3514299C2
Application number: DE3514299A
Authority: DE
Inventors: Tuyoshi Morishita; Sigemi Hiroshima Jp Osaki
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1984-04-20
Filing date: 1985-04-19
Publication date: 1989-10-05
Also published as: US4596746A; DE3514299A1; JPS60224704A; JPH0153324B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Metallpulverblatt nach dem Oberbe griff des Anspruchs 1. Das Metallpulverblatt dient zum Ausbilden einer Sinterschicht auf einer Oberfläche eines Metallsubstrats, insbesondere ein Metallpulverblatt aus einem bei relativ nied riger Temperatur sinterfähigem Pulvermaterial.

Es ist bereits bekannt, zum Ausbilden einer Sin terschicht auf einer Metalloberfläche ein Blatt aus einem Legierungspulver herzustellen. Zur Herstellung eines derar tigen Blattes aus Pulvermaterial hat man im allgemeinen durch Zusammenkneten eines Legierungspulvers mit einem Kunstharz ein Gemisch hergestellt und dieses zu einem Blatt ausgewalzt. Das Blatt wird dann auf der Oberfläche eines Metallsubstrates angebracht und auf eine Temperatur erhitzt, bei der das Legierungspulver unter Ausbildung einer Sinter legierungsschicht auf der Oberfläche des Metallsubstrates gesintert wird. Beispielsweise wird in der japanischen Offenlegungsschrift 51-83 834 ein Le gierungspulverblatt beschrieben, das aus einem selbstge henden Legierungspulver und einem thermoplastischen Acryl harzpulver besteht und das an einem Metallsubstrat ange bracht wird, indem dieses mit einem Mittel, wie Toluol, be netzt wird, worauf unter einer geeigneten Atmosphäre auf eine Schmelztemperatur erhitzt wird.

In der OP-AS 55-21 802 wird vorgeschlagen, durch Kneten eine TiC-Legierungspulvers und eines Kunstharzes ein dünnes Band herzustellen und dieses unter Druck zu sin tern, so daß ein Sinterblatt erhalten wird, das dann an einer Form für ein Subtrat befestigt wird. Wenn man die mit dem Sinterband versehene Form zum Herstellen des Substrates verwendet, kann man ein mit einer Sinterlegierungsschicht versehenes Substrat erhalten.

In der JP-OS 51/83 834 wird ein Verfahren vorgeschlagen, in dem ein Blatt aus einem Le gierungspulver durch das darin enthaltene Harz mit dem Me tallsubstrat bis zu einer Temperatur zwischen 200 und 300°C haftfest verbunden wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei einer höheren Temperatur das Harz verbrennt oder schmilzt, so daß das Legierungsblatt dann nicht mehr an dem Substrat haftet. Diese Tatsache führt zu Schwierigkeiten, wenn das Legierungsblatt an einer geneigten, gekrümmten oder abwärts gekehrten Fläche angebracht werden muß, weil dann das Blatt während des Sintervorganges nicht festgehalten werden kann. In dem in der JP-AS 55-21 802 angegebenen Verfahren treten diese Probleme u. U. nicht auf, doch erfordert es zusätzliche Verfahrensschritte, so daß die Herstellung teuer wird.

Ein Metallpulverblatt nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE-OS 21 15 358 bekannt. Dort wird vorgeschlagen, ein Blatt, das ein Legierungspulver mit einem hohen Schmelzpunkt enthält, auf ein zweites Blatt zu legen, das ein Legierungs pulver mit einem niedrigeren Schmelzpunkt enthält und auf ein Metallsubstrat aufgesintert werden soll. In diesem Verfahren müssen jedoch zum Sintern die Legierungspulver in einem gewissen Ausmaß aufgeschmolzen werden, so daß im allgemeinen eine höhere Sintertemperatur erforderlich ist, die gewöhnlich über 1000°C liegt. Derart hohe Sintertemperaturen bewirken aber eine Ver formung des Metallsubstrates. Schließlich ist es schwierig, mit diesem Verfahren eine Sinterschicht auf einem Substrat aus einem Metall mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt auszubilden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Metallpulverblatt der vorbekannten Art zu schaffen, das bei relativ niedriger Tempe ratur auf ein Metallsubstrat aufgesintert werden kann. Eine wei tere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren vorzu schlagen, mit dem bei relativ niedriger Temperatur ein Metall pulverblatt auf ein Metallsubstrat aufgesintert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Metallpulverblatt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Anspruch 4 angegeben.

Die Erfindung beruht auf der Ausnutzung einer physikalischen Eigenschaft von ultrafeinen Metallpulvern mit einer Korngröße unter 1 µm. Durch die Verwendung derartiger ultrafeiner Metall pulver kann eine beträchtliche Verminderung der Sintertemperatur erreicht werden. Beispielsweise muß Nickelpulver mit einer Korn größe von 7 µm zum Sintern auf mindestens 1050°C erhitzt wer den. Dagegen beginnt das Sintern von ultrafeinem Nickelpulver gemäß der Erfindung bereits bei etwa 300°C. Bei einer Tempera tur von 500°C kann bereits eine beträchtliche Sinterung eines derartigen Pulvers erzielt werden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das er findungsgemäße Metallpulverblatt auf eine Oberfläche eines Metallsubstrates gelegt oder geklebt und dann zur Herstellung einer Sinterschicht der gewünschten Beschaffenheit auf dem Metallsubstrat bei einer erhöhten Temperatur erhitzt.

Bei der Verwendung der Metallpulver gemäß der Erfindung beginnt das Sintern bei einer relativ niedrigen Temperatur, so daß das Blatt auch zur Ausbildung einer Sinterschicht auf einem niedrig schmelzenden Substrat, beispielsweise aus einer Aluminiumlegie rung, verwendet werden kann. Ferner kann ein wärmebedingtes Ver ziehen des Substrates vermieden werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen beschrieben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeich nungen erläutert. In diesen zeigt

Fig. 1 in einem Diagramm den Einfluß des Sinter hilfsstoffes,

Fig. 2 im Schnitt ein an einem Substrat be festigtes Blatt aus Pulvermaterial und

Fig. 3 in einer Mikrophotographie bei 400facher Vergrößerung das Gefüge der Sinterschicht.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Aus führungsbeispiels erläutert. Zur Herstellung des erfindungs gemäßen Blattes aus Metallpulver werden das Metallpulver, der Sinterhilfsstoff und das Bindemittelharz zu einem Ge misch zusammengeknetet, das dann ausgewalzt wird.

Metallpulver

Das verwendete Metallpulver hat die physikalischen Eigenschaften, die für die auf dem Metallsubstrat auszu bildende Sinterschicht gefordert werden. Zur Ausbildung einer abriebfesten Schicht auf dem Metallsubstrat kann man ein Metallpulver verwenden, das mindestens eines der Ele mente P, Mo, Cr, C und Fe enthält. Die Porosität der Sin terschicht ist in hohem Maße von der Korngröße des Pulvers abhängig, das vorzugsweise ferner ist als 100 µm. Bei Pulvern, die gröber sind als 100 µm, werden größere Poren und daher eine geringere Abriebfestigkeit erhalten.

Sinterhilfsstoff

Als Sinterhilfsstoff wird vorzugsweise ein ultra feines Pulver aus Ni, Cu, Co oder Fe in einer Menge von 1 bis 20 Gew.-% des Gesamtgemisches verwendet. Dabei werden als ultrafeine Pulver Metallpulver mit einer durchschnitt lichen Korngröße unter 1 µm bezeichnet. Im Rahmen der Er findung wird die Tatsache ausgenutzt, daß ultrafeine Me tallpulver bereits bei einer sehr niedrigen Temperatur zu sintern beginnen und dient das ultrafeine Metallpulver beim Sintern als Bindemittel für das Metallpulver. Wenn das ultrafeine Metallpulver in einer Menge unter 1 Gew.-% ver wendet wird, kann es nicht mehr als Bindemittel wirken. Wenn das ultrafeine Metallpulver in einer Menge von mehr als 20% verwendet wird, ist das für die Verbesserung der physikalischen Eigenschaften verwendete Metallpulver nur in einer so geringen Menge vorhanden, daß die Verbesserung einer physikalischen Eigenschaft der Sinterschicht, beispiels weise ihrer Abriebfestigkeit, nicht in dem gewünschten Grade erzielt werden kann. In der Fig. 1 stellt die Kurve A die Klebfähigkeit des Metallpulverblattes und die Kurve B die gewünschte Eigenschaft, beispielsweise die Abriebfestigkeit, dar. Man erkennt in der Fig. 1, daß die Klebfähigkeit plötzlich abnimmt, wenn der Sinterhilfsstoff in einer Menge von weniger als 1% verwendet wird, so daß dann das Metall pulver beim Sintern von dem Substrat herunterfällt. Wenn der Sinterhilfsstoff in einer Menge von mehr als 20% ver wendet wird, wird die gewünschte Eigenschaft nur in einem geringeren Grade erzielt.

In der nachstehenden Beschreibung wird als Le gierungspulver das aus dem Metallpulver und dem Sinter hilfsstoff bestehende Pulvergemisch bezeichnet.

Bindemittelharz

Als Bindemittelharz kann man ein Acrylharz ver wenden. Vorzugsweise verwendet man Polymere oder Copolymere von Acrylsäure- und/oder Methacrylsäureestern oder Copoly mere dieser Ester und eines Monomers mit einer mit diesen Estern copolymerisierbaren funktionellen Gruppe.

Das Bindemittel wird in einer Menge von 6 bis 1 Gew.-% zu 94 bis 99 Gew.-% des Legierungspulvers gemischt. Bei einem Bindemittelgehalt unter 1% ist das Blatt wegen seiner zu geringen Klebfähigkeit spröde und kann kein flexibles Blatt erzielt werden. Ein Bindemittelgehalt über 6% wirkt sich ungünstig auf die Porosität der Sinter schicht aus und führt zu einer ungenügenden Haftfestigkeit zwischen der Sinterschicht und dem Substrat.

Blatt aus Metallpulver

Man kann das Blatt auf verschiedene Weise her stellen. Beispielsweise kann man das aus dem Legierungspul ver und dem Bindemittelharz bestehende Gemisch zu 100 bis 1000 Gewichtsteilen eines geeigneten Lösungsmittels, wie Aceton, Toluol oder Methylethylketon pro 100 Gewichtsteilen des Bindemittelharzes zusetzen und das so erhaltene Ge misch zu einer Trübe kneten, die dann in einen Formrahmen gegossen wird, in dem das Lösungsmittel verdampft wird. Danach wird das Gemisch zwischen zwei Walzen zu einem Blatt von geeigneter Stärke, beispielsweise 0,5 bis 5,0 mm, aus gewalzt. Zum Kneten des aus dem Legierungspulver und dem Bindemittelharz bestehenden Gemisches kann man dieses auch auf eine geeignete Temperatur erhitzen.

Klebfähigkeit des Blattes aus Pulvermaterial

Zum Anbringen des Blattes aus Pulvermaterial be stehenden Blattes kann man dieses einfach auf das Substrat aufpressen. Erforderlichenfalls kann man jedoch eine höhere Klebfähigkeit erzielen, indem man auf das Blatt und/oder die Substratoberfläche das auch in dem Blatt enthaltene Acrylharz aufträgt. Man kann das Blatt aus dem Pulvermate rial an dem Substrat auch mit Hilfe eines Blattes aus einem aus demselben Harz bestehenden Klebstoff anbringen.

Sintern

Das Sintern muß in einer nichtoxidierenden Atmos phäre, beispielsweise einer Stickstoff- oder Argongasat mosphäre oder einer Atmosphäre aus einem reduzierend wirken den Gas, wie Stickstoff, oder in einem Vakuum durchgeführt werden. Die Erhitzung soll vorzugsweise mit einer Geschwin digkeit unter 40°C/Min. erfolgen. Bei einer Erhitzungsge schwindigkeit über 40°C/Min. erfolgt eine plötzliche Ver dampfung von niedrigsiedenden Bestandteilen des Bindemittel harzes, so daß das Blatt aus dem Pulvermaterial während seiner Verarbeitung brechen kann oder sich in dem Blatt Gas blasen bilden können, die dazu führen können, daß das Blatt aus dem Pulvermaterial beim Sintern von dem Substrat herun terfällt.

Vor dem Aufheizen auf die Sintertemperatur erfolgt eine Vorerhitzung, die für mehr als 5 Minuten bei einer Temperatur zwischen 150 und 380°C, vorzugsweise zwischen 200 und 350°C durchgeführt wird. Bei dieser Vor erhitzung werden durch eine Pyrolyse des in dem Blatt aus Pulvermaterial enthaltenen Bindemittel harzes teer- und/oder pechartige Substanzen gebildet, die dem Blatt aus Pulvermaterial eine so hohe Klebfähigkeit verleihen, daß es auch bei Temperaturen über 300°C an dem Substrat festgehalten wird. Infolgedessen wird das Blatt aus dem Pulvermaterial auch dann auf dem Metallsubstrat festgehalten, wenn das Werkstück während des Sintervorganges bewegt und daher Schwingen oder Stoßbelastungen ausgesetzt wird.

Bei einer Vorerhitzung unter 150°C findet in dem Bindemittelharz keine genügende Pyrolysereaktion statt, so daß die teer- und/oder pechartigen Substanzen nicht in der Menge erzeugt werden, die zum Erzielen der erforderlichen Klebfähigkeit erforderlich ist. Bei einer Vorerhitzung auf eine Temperatur über 380°C wird das Harz so plötzlich zer setzt, daß die teer- und/oder pechartigen Substanzen eben falls nicht in der genügenden Menge gebildet werden. Auch bei einer Vorerhitzung für weniger als 5 Minuten werden die teer- und/oder pechartigen Substanzen nicht in genügender Menge gebildet, so daß ebenfalls keine genügende Klebfähig keit erzielt wird. Die Dauer der Vorerhitzung muß in Ab hängigkeit von der Temperatur der Vorerhitzung und der Harz art bestimmt werden, braucht jedoch im allgemeinen nicht länger zu sein als 120 Minuten.

Ausführungsbeispiel

Ein Pulver mit einer durchschnittlichen Korn größe von 75 µm wird aus einer Legierung hergestellt, die aus 1,76 Gew.-% P, 10,30 Gew.-% Mo, 4,96 Gew.-% Cr, 3,46 Gew.-% C, 1,11 Gew.-% Si, 0,53 Gew.-% Mn, 0,01 Gew.-% S, Rest Fe, besteht. 90 Gew.-% dieses Metallpulvers werden mit 10 Gew.-% eines ultrafeinen Nickelpulvers mit einer durchschnittlichen Korngröße von 0,1 µm vermischt. 95 Gew.-% des auf diese Weise erhaltenen Legierungspulvers werden mit 5 Gew.-% eines als Bindemittel dienenden Acrylharzes vermischt. Nach dem Zusatz von Toluol wird das Gemisch naßgeknetet und das ge knetete Gemisch zu einem 2 mm dicken Blatt aus Pulvermaterial ausgewalzt.

Klebfähigkeit des Blattes aus Pulvermaterial

Das auf die angegebene Weise hergestellte Blatt aus Pulvermaterial wird zu Blattstücken 1 von 1 cm² zer schnitten, die gemäß Fig. 3 auf Substrate 3 aus Reinalu minium von 3 cm³ geklebt werden. Zum Ankleben der Blatt stücke 1 aus dem Pulvermaterial an dem Substrat werden 30 µm starke Polymerfilme aus dem Harz verwendet, das auch in dem Blatt aus Pulvermaterial enthalten ist.

Vorerhitzung

Nach dem Anbringen der Blattstücke 1 an den Substraten 3 werden diese in einer Stickstoffatmosphäre mit einer Geschwindigkeit von 10°C/Min. auf 300°C erhitzt und 60 Minuten lang auf dieser Temperatur gehalten. Dabei bilden sich teer- und/oder pechartige Substanzen, ohne daß das Polymerblatt vollständig aufgeschmolzen wird.

Sintern

Nach dem Vorerhitzen werden die Substrate 3 mit den darauf befindlichen Blattstücken 1 in einer Stickstoff atmosphäre mit einer Geschwindigkeit von 5°C/Min. auf 570°C erhitzt und 30 Minuten auf dieser Temperatur gehalten. Da nach werden die Probenkörper mit einer Geschwindigkeit von 3°C/Min. abgekühlt. Durch diese Behandlung werden die Blattstücke 1 aus Metallpulver auf die Substrate unter Bildung von sehr abriebfesten Sinterschichten aufgesintert. Das Gefüge dieser einer derartigen Sinterschicht ist in der Fig. 3 gezeigt. Die großen Körner bestehen aus dem Metallpulver und die zwischen diesen erkennbaren, feinen Körner aus dem ultrafeinen Pulver oder dem aus diesem ge bildeten Sintermaterial. Man erkennt, daß in der ganzen Schicht eine genügende Sinterung erzielt wird, d. h., daß die Erfindung ein Sintern bei einer beträchtlich niedri geren Temperatur ermöglicht.

Claims

1. Metallpulverblatt mit einem Metallpulver auf der Basis Fe mit P, Mo, Cr und C, einem Sinterhilfsstoff, der bei einer niedrigeren Temperatur zu sintern beginnt als das erst genannte Metallpulver, und einem Acrylharzbindemittel, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sinterhilfsstoff ein ultrafeines Metallpulver mit mindestens einem der Elemente Cu, Ni, Co und Fe mit einer Korngröße unter 1 µm enthält,
daß das Metallpulverblatt den Sinterhilfsstoff in einer Menge von 1 bis 20 Gew.-% der Gesamtmenge des Metallpulvers und des Sinterhilfsstoffs enthält und
daß das Metallpulverblatt 6 bis 1 Gew.-% des Acrylharzbinde mittels und 94 bis 99 Gew.-% des aus dem erstgenannten Metall pulver und dem Sinterhilfsstoff bestehenden Gemisches ent hält.

2. Metallpulverblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erstgenannte Metallpulver feiner ist als 100 µm.

3. Metallpulverblatt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Bindemittelharz ausgewählt ist aus den Polymeren und Copolymeren von Acrylsäureestern, den Poly meren und Copolymeren von Methacrylsäureestern und den Copolymeren dieser Ester mit einem Monomer, das eine mit diesen Estern copolymerisierbare funktionelle Gruppe besitzt.

4. Sinterverfahren, bei dem
ein Metallpulverblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 3 her gestellt wird,
das Metallpulverblatt auf ein Metallsubstrat gelegt wird,
das Metallpulverblatt und das Metallsubstrat länger als 5 Minuten auf eine Temperatur zwischen 150 und 380°C erhitzt werden und
danach auf eine Sintertemperatur erhitzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat aus einem Aluminiumwerkstoff verwendet wird.