Verfahren zur Herstellung von Sinterkörpern und danach erhaltener Sinterkörper
Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zur Herstellung von Sinterkörpern aus pulverigem Gut, wie z. B. aus Pulvern von Metallen, Glas oder insbesondere von synthetischen organischen Kunststoffen und ein gemäss diesem Verfahren erhaltener Sinterkörper.
Sinterkörper aus Metallen, Kunststoffen und anderen Stoffen werden in neuerer Zeit in grossem Umfang als Werkstoffe für die verschiedensten Zwecke verwendet. Die bisher bekannten Sinterkörper haben jedoch den Nachteil, dass sie im allgemeinen nur eine geringe mechanische Festigkeit und insbesondere eine niedrige Biege- und Zugfestigkeit aufweisen, wobei diese Eigenschaften um so schlechter ausgebildet sind, je höher die Porosität der Körper ist. Die Verschlechterung der mechanischen Festigkeitseigenschaften durch eine hohe Porosität ist insofern von Bedeutung, als in sehr vielen Fällen, wie z. B. für die Verwendung von Sintermetallen als Gleitlager, eine hohe Porosität der Sinterkörper erwünscht ist.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, Sinterkörper zu schaffen, welche unter Beibehaltung der bei Sinterkörpern erwünschten Eigenschaften, insbefondere einer für den jeweiligen Verwendungszweck geeigneten Porosität, gegenüber den bekannten Sinterkörpern wesentlich verbesserte mechanische Eigenschaften und vor allem eine bedeutend höhere Biegeund Zugfestigkeit aufweisen. Es konnte festgestellt werden, dass dies überraschenderweise dann der Fall ist, wenn die in den Sinterkörpern vorhandenen Sinterstellen nach verschiedenen Richtungen eine voneinander wesentlich verschiedene Ausdehnung haben.
Demgemäss ist nun das erfindungsgemässe Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das pulverige Gut auf dessen Sintertemperatur erwärmt wird, so dass die Körner des Pulvers nur stellenweise aneinander sintern, und dass anschliessend durch Recken bei Sintertemperatur ein Ausziehen von Sinterstellen in fadenförmige Gestalt bewirkt wird. Nach einer besonderen Ausführungsart des erfindungsgemässen Verfahrens werden Sinterkörper durch Verwendung von pulverigen Gemischen aus mindestens zwei Stoffen mit verschiedenen Erweichungspunkten erhalten, die fadenförmige Sinterstellen mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 5 : l und darüber aufweisen.
Sinterkörper dieser Art haben Vorzugsrichtungen, in welchen sie gegenüber anderen Richtungen je nach dem Sintermaterial verbesserte mechanische Eigenschaften, insbesondere eine erhöhte Biege und Zugfestigkeit, oder auch verbesserte thermische, elektrische oder magnetische Eigenschaften, insbesondere eine erhöhte Leitfähigkeit, zeigen. Sinterkörper auf der Grundlage von synthetischen organischen Kunststoffen, wie z. B, Polyvinylchlorid, Polystyrol und Polyäthylen, sind im vorliegenden Zusammenhang auf Grund der im allgemeinen schlechten Wärmeleitfähig- keit solcher Kunststoffe von besonderer Bedeutung.
Sie eignen sich vor allem als Material für Separatoren und Diaphragmen, insbesondere für Akkumulatoren.
Es konnte ferner festgestellt werden, dass sich ge sinterte und gereckte Materialschichten der angegebenen Art durch oberflächliche Sinterung oder Verklebung zu geschichteten Sinterkörpern bzw. Verbundkörpern vereinigen lassen, die gleichfalls hervorragende mechanische Eigenschaften zeigen. Eine Steigerung der mechanischen Festigkeitseigenschaften solcher geschichteter Sinterkörper lässt sich erzielen, indem man die einzelnen Sinterkörperteile derart anordnet, dass die Längsrichtung der fadenförmigen Sinterstellen in den einzelnen aufeinanderfolgenden Schichten abwechselnd verschieden ist. In ähnlicher Weise lassen sich geschichtete Sinterkörper mit meh- reren, einander kreuzenden Vorzugsrichtungen in mechanischer, thermischer, elektrischer oder magnetischer Hinsicht erhalten.
Die Herstellung der Sinterkörper gemäss der Erfindung erfolgt in der Weise, dass das als Ausgangsmaterial verwendete pulverige Gut, wie Pulver von Metallen oder Glas, insbesondere Pulver von synthetischen organischen Kunststoffen, auf die Sintertemperatur des Pulvers erwärmt und anschliessend bei Sintertemperatur gereckt wird. Durch diese Reckung des Sintergutes im sozusagen plastischen Zustand wird die bedeutende Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, vor allem der Biege- und Zugfestigkeit der fertigen Sinterkörper im Vergleich mit nicht gereckten Sinterkörpern bewirkt. Dies dürfte darauf zurückzuführen sein, dass beim Recken die annähernd kugelförmigen, in einem plastischen Zustand vorliegenden Berührungspunkte zwischen den einzelnen Körnern des Pulvers zu Fäden bzw. zu einseitig orientierten Körpern ausgezogen werden und sich diese Fäden bzw.
Verbindungskörper nach dem Abkühlen des Sinterkörpers miteinander verfilzen.
Es ist in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen, dass es bereits bekannt ist, zur Herstellung von spanabhebend bearbeitbaren Werkstücken aus Molybdän einen gesinterten Rohling aus Molybdän derart zu verformen, dass die entstehenden Körner des Gefüges durchschnittlich höchstens viermal länger als breit sind. Im Gegensatz zu den nach diesem be kannten Verfahren erhaltenen Produkten stellen die Sinterkörper, die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten werden, Körper dar, in welchen die Körner im wesentlichen in unveränderter Form, das heisst also in den im Ausgangsmaterial ; vor- handen gewesenen Dimensionen, vorliegen und nur die Sinterstellen durch das Recken fadenförmig ausgezogen sind.
Um solche Sinterkörper zu erhalten, darf das Ausgangsgut im allgemeinen nur kurzzeitig, das heisst weniger als 40 Minuten, und gerade bis zur Sinterungstemperatur erhitzt werden, so dass nicht das gesamte Gut erweicht, sondern nur eine Erweichung der Kornoberfläche bzw. feinster Kornanteile erfolgt und in weiterer Folge beim Recken nicht eine Verformung der Körner selbst, sondern nur der plastischen Schweissstellen erfolgt und nur diese fadenförmig ausgezogen werden. Bei dem angeführten bekannten Verfahren hingegen muss ein Erweichen des gesamten Kornmaterials herbeigeführt werden, da ja die Körner als solche gestreckt werden sollen, und zu diesem Zweck muss der zu verformende Rohling während einer verhältnismässig langen Zeit, beispielsweise 2 oder 1¯ bis 3 Stunden, gegenüber einem Zeitraum von weniger als 40 Minuten erhitzt werden.
Vorzugsweise wird gemäss einer Au sführungs art des erfindungsgemässen Verfahrens das pulverige Gut nach dem Erwärmen auf die Sintertemperatur leicht gepresst, z. B. in Form von Platten, Bahnen, Folien oder Bändern, und dann erst gereckt.
Die Vorpressung und die Reckung kann dabei durch Walzenpaare erfolgen, wobei man das zweite, die Reckung verursachende Walzenpaar mit entsprechend höherer Umfangsgeschwindigkeit laufen lässt.
Erfahrungsgemäss soll das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeiten vorteilhaft etwa 1:1,5 bis l : 3 betragen. Bei einigen Glas- und Kunststoffarten können jedoch auch Verhältnisse von 1:10 und darunter angewendet werden, und man erhält dann gewebeartige Sinterkörper.
Während der Reckung des Sintergutes, welche gegebenenfalls nur in einer Richtung zu erfolgen braucht, kann von einem weiteren Erhitzen des Materials abgesehen werden. Ferner ist es auch möglich, das auf die oben angegebene Weise erhaltene Sintergut nach dem Recken einer Pressung zu unterwerfen ; wenn erwünscht, kann das Sintergut dem Vorgang der Reckung und Pressung auch mehrmals unterzogen werden. Sinterkörper mit sehr günstigen mechanischen Eigenschaften werden dann erhalten, wenn die Rekkung so weit getrieben wird, dass der mittlere Querschnitt der fadenförmigen Sinterstellen weniger als 0,01 mm beträgt.
A isjillirungsbeispie1
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Herstellung eines Sinterkörpers mit fadenförmigen Sinterstellen aus Polystyrol sowie unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
Ein handelsübliches Polystyrolpulver wird bei einer Ofenraumtemperatur von 2500 C während 7 Minuten gesintert. Anschliessend wird das Sintergut sofort, also bei ungefähr derselben Temperatur, einer Reckung unterworfen, die eine Vergrösserung der Längenausdehnung um 25% ergibt. Das erhaltene gesinterte und gereckte Material besitzt eine Struktur, wie sie in der Fig. 2 der Zeichnung in vergrössertem Massstab dargestellt ist.
Fig. list ein schematischer Querschnitt durch eine Gruppe von durch Sintern verbundenen Körnern.
Fig. 2 stellt einen schematischen Querschnitt durch eine Gruppe von Körnern dar, bei welchen ein Rekken der Sinterstellen in einer Richtung erfolgte. Fig. 3 zeigt einen z. B. aus drei Schichten zusammengesetzten Verbundkörper, bei dem die Schichten stufenweise abgetragen dargestellt sind.
Fig. 1 zeigt eine Gruppe von Körnern 1 ohne Reckung der Sinterstellen 2 und 3. Die in der Fig. 2 abgebildete Gruppe von Körnern ist in Richtung der Pfeile gereckt, was durch die fadenförmigen Sinterstellen 3' veranschaulicht wird. Bei dem Verbundkörper gemäss Fig. 3 sind die gereckten Sinterstellen 3' in der mittleren Schicht 4b quer zu den gereckten Sinterstellen 3' in der vorderen bzw. hinteren Schicht 4a orientiert; die drei Schichten sind an den Berührungsflächen 5 miteinander z. B. durch Verkleben oder Schweissen verbunden. Dieser Verbundkörper zeigt hinsichtlich der Festigkeit einen sperrholzartigen Effekt.
Process for the production of sintered bodies and sintered bodies obtained thereafter
The subject of the invention is a method for the production of sintered bodies from powdery material, such as. B. from powders of metals, glass or, in particular, of synthetic organic plastics and a sintered body obtained by this method.
Sintered bodies made of metals, plastics and other substances have recently been used on a large scale as materials for a wide variety of purposes. However, the previously known sintered bodies have the disadvantage that they generally have only a low mechanical strength and, in particular, a low flexural strength and tensile strength, the higher the porosity of the body, the worse these properties are. The deterioration in the mechanical strength properties due to high porosity is important insofar as in very many cases, such as. B. for the use of sintered metals as plain bearings, a high porosity of the sintered body is desired.
The aim of the invention is to create sintered bodies which, while retaining the properties desired in sintered bodies, in particular a porosity suitable for the respective purpose, have significantly improved mechanical properties and above all a significantly higher flexural strength and tensile strength compared to the known sintered bodies. It was found that this is the case, surprisingly, when the sintering points present in the sintered bodies have a substantially different extent in different directions.
Accordingly, the method according to the invention is now characterized in that the powdery material is heated to its sintering temperature, so that the grains of the powder only sinter to one another in places, and that sintering points are then pulled out in a thread-like shape by stretching at sintering temperature. According to a special embodiment of the process according to the invention, sintered bodies are obtained by using powdery mixtures of at least two substances with different softening points, which have thread-like sintered points with a length to diameter ratio of 5: 1 and above.
Sintered bodies of this type have preferred directions in which, depending on the sintered material, they show improved mechanical properties, in particular increased bending and tensile strength, or also improved thermal, electrical or magnetic properties, in particular increased conductivity, compared to other directions. Sintered bodies based on synthetic organic plastics, such as. B, polyvinyl chloride, polystyrene and polyethylene are of particular importance in the present context due to the generally poor thermal conductivity of such plastics.
They are particularly suitable as a material for separators and diaphragms, especially for accumulators.
It was also found that sintered and stretched material layers of the specified type can be combined by superficial sintering or gluing to form layered sintered bodies or composite bodies, which likewise show excellent mechanical properties. An increase in the mechanical strength properties of such layered sintered bodies can be achieved by arranging the individual sintered body parts in such a way that the longitudinal direction of the thread-like sintered points in the individual successive layers is alternately different. In a similar way, layered sintered bodies with a number of preferred directions that cross each other can be obtained in mechanical, thermal, electrical or magnetic terms.
The production of the sintered body according to the invention takes place in such a way that the powdery material used as the starting material, such as powder of metals or glass, in particular powder of synthetic organic plastics, is heated to the sintering temperature of the powder and then stretched at sintering temperature. This stretching of the sintered material in a plastic state, so to speak, brings about a significant improvement in the mechanical properties, especially the flexural strength and tensile strength of the finished sintered body in comparison with unstretched sintered bodies. This is likely to be due to the fact that during stretching, the approximately spherical contact points between the individual grains of the powder, which are in a plastic state, are drawn out into threads or bodies oriented on one side and these threads or
Felt the connecting body together after the sintered body has cooled down.
It should be pointed out in this context that it is already known, for the production of machinable workpieces from molybdenum, to deform a sintered blank made of molybdenum in such a way that the resulting grains of the structure are on average at most four times longer than wide. In contrast to the products obtained by this known process, the sintered bodies obtained by the process of the present invention represent bodies in which the grains are essentially in unchanged form, that is to say in those in the starting material; The dimensions that were present are present and only the sintered areas are drawn out in the form of threads by stretching.
In order to obtain such sintered bodies, the starting material may generally only be heated briefly, i.e. less than 40 minutes, and just up to the sintering temperature, so that not the entire material is softened, but only a softening of the grain surface or the finest grain fractions takes place and in A further consequence during stretching is not deformation of the grains themselves, but rather only the plastic weld points and only these are drawn out in the form of threads. In the known method mentioned, however, a softening of the entire grain material must be brought about, since the grains as such are to be stretched, and for this purpose the blank to be deformed has to be over a relatively long time, for example 2 or 1¯ to 3 hours heated for less than 40 minutes.
According to one embodiment of the method according to the invention, the powdery material is preferably lightly pressed after being heated to the sintering temperature, e.g. B. in the form of sheets, sheets, films or tapes, and only then stretched.
The pre-pressing and the stretching can be done by roller pairs, the second roller pair causing the stretching to run at a correspondingly higher peripheral speed.
Experience has shown that the ratio of the circumferential speeds should advantageously be approximately 1: 1.5 to 1: 3. With some types of glass and plastic, however, ratios of 1:10 and below can also be used, and tissue-like sintered bodies are then obtained.
During the stretching of the sintered material, which may only need to be done in one direction, further heating of the material can be dispensed with. Furthermore, it is also possible to subject the sintered material obtained in the manner indicated above to a pressing after stretching; if desired, the sintered material can be subjected to the stretching and pressing process several times. Sintered bodies with very favorable mechanical properties are obtained when the stretching is driven so far that the mean cross-section of the thread-like sintered points is less than 0.01 mm.
A illustration example
The invention is explained in more detail below with reference to the production of a sintered body with thread-like sintered points made of polystyrene and with reference to the accompanying drawing.
A commercial polystyrene powder is sintered at a furnace temperature of 2500 C for 7 minutes. The material to be sintered is then immediately subjected to stretching, that is to say at approximately the same temperature, which results in an increase in length of 25%. The sintered and stretched material obtained has a structure as shown in FIG. 2 of the drawing on an enlarged scale.
1 shows a schematic cross section through a group of grains connected by sintering.
FIG. 2 shows a schematic cross section through a group of grains, in which the sintered points were stretched in one direction. Fig. 3 shows a z. B. composed of three layers composite body, in which the layers are shown gradually removed.
1 shows a group of grains 1 without stretching the sintered points 2 and 3. The group of grains shown in FIG. 2 is stretched in the direction of the arrows, which is illustrated by the thread-like sintered points 3 '. In the composite body according to FIG. 3, the stretched sintering points 3 'in the middle layer 4b are oriented transversely to the stretched sintering points 3' in the front or rear layer 4a; the three layers are at the contact surfaces 5 with each other z. B. connected by gluing or welding. This composite body shows a plywood-like effect in terms of strength.