DE1209408B - Process for the production of composite workpieces consisting of compact aluminum and sintered aluminum - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. α.:Int. α .:

B23nB23n

Deutsche Kl.: 491-12 German class: 491-12

Nummer: 1 209 408Number: 1 209 408

Aktenzeichen: A32116Ib/491File number: A32116Ib / 491

Anmeldetag: 26. Mai 1959Filing date: May 26, 1959

Auslegetag: 20. Januar 1966Opened on: January 20, 1966

Es ist oft erwünscht, über Verbundwerkstücke verfügen zu können, die zum Teil aus kompakten Aluminium konventioneller Herstellungsweise (als Metall oder Legierung) und zum Teil aus Sinteraluminium bestehen. Dies ist insbesondere bei 5 Leichtmetallmotorkolben der Fall, welche im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzt sind und deshalb vorzugsweise aus hitzebeständigen Spezi allegierungen hergestellt werden. Als besonders warmfester Werkstoff hat sich das Sinteraluminium erwiesen. Dieses Material wird auf pulvermetallurgischem Weg hergestellt und ist deshalb wesentlich teurer als geknetete oder gegossene Aluminiumwerkstoffe. Trotz ihrer überlegenen Warmfestigkeit haben daher Motorkolben aus Aluminiumsinterwerkstoff solche aus konventionellen Aluminiumwerkstoffen nicht verdrängen können. Um jedoch aus der hohen Warmfestigkeit des Sinteraluminiums einigen Nutzen zu ziehen, wurde bereits versucht, nur die thermisch besonders stark beanspruchten Teile der Kolben, nämlich den Kolbenboden und die Kolbenringzone, teilweise oder ganz aus Sinteraluminium und die übrigen Teile des Kolbens aus einer gekneteten oder gegossenen Aluminiumlegierung herzustellen. Zu diesem Zweck hat man z. B. Einsätze aus Sinteraluminium in das Werkstück eingegossen oder eingepreßt. It is often desirable to have composite workpieces, some of which are compact Aluminum conventionally manufactured (as metal or alloy) and partly from sintered aluminum exist. This is especially the case with 5 light metal engine pistons, which are in operation are exposed to high temperatures and therefore preferably made of heat-resistant alloys getting produced. Sintered aluminum has proven to be a particularly heat-resistant material. This material is produced using powder metallurgy and is therefore much more expensive than kneaded material or cast aluminum materials. Despite their superior heat resistance, they therefore have Motor pistons made of sintered aluminum do not have pistons made of conventional aluminum can displace. However, in order to benefit from the high heat resistance of sintered aluminum to pull, attempts have already been made to remove only the parts of the pistons, which are particularly thermally stressed, namely the piston crown and the piston ring zone, partially or entirely made of sintered aluminum and the to manufacture the remaining parts of the piston from a kneaded or cast aluminum alloy. to for this purpose one has z. B. Sintered aluminum inserts cast or pressed into the workpiece.

Es hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, daß es schwierig ist, nach den erwähnten Verfahren eine innige und einwandfreie Verbindung zwischen dem Sinteraluminium und dem kompakten Metallteil des Kolbens zu erhalten.However, it has been found in practice that it is difficult to use the methods mentioned intimate and perfect connection between the sintered aluminum and the compact metal part of the Obtain piston.

Diese Schwierigkeiten dürften vor allem darauf beruhen, daß die Teilchen des zur Erzeugung des Sinteraluminiums verwendeten Aluminiumpulvers stets mit einer dünnen Oxydschicht bedeckt sind. Derartige Sinterkörper verdanken zwar ihre außerordentlich hohe Warmfestigkeit vor allem diesem Oxydgehalt, doch lassen sie sich nicht nach den üblichen Schweißverfahren untereinander oder mit kompakten Metallteilen verbinden, selbst wenn ein Flußmittel mitverwendet wird. Aluminiumpulver zeigen schon infolge der Oxydhaut ein grundsätzlich anderes Verhalten als z. B. Kupferpulver oder eine pulverisierte Kupferlegierung. Kupferpulver läßt sich z. B. kalt auf ein kompaktes Kupferteil aufpressen, und das so erhaltene Zwischenwerkstück kann dann durch eine Wärmebehandlung ohne Druck in einfacher Weise zu einem Verbundwerkstück verarbeitet werden, bei dem das gebildete Sintermetall fest mit dem kompakten Metallteil verbunden ist. Diese Arbeitsweise läßt sich aber auf die Herstellung von Verfahren zum Herstellen von aus kompaktem
Aluminium und aus Sinteraluminium
bestehenden VerbundwerkstückenThese difficulties are mainly due to the fact that the particles of the aluminum powder used to produce the sintered aluminum are always covered with a thin layer of oxide. Such sintered bodies owe their extraordinarily high heat resistance primarily to this oxide content, but they cannot be connected to one another or to compact metal parts by the usual welding processes, even if a flux is also used. Aluminum powder show a fundamentally different behavior than z. B. copper powder or a powdered copper alloy. Copper powder can be z. B. cold press onto a compact copper part, and the intermediate workpiece thus obtained can then be processed by a heat treatment without pressure in a simple manner to a composite workpiece in which the sintered metal formed is firmly connected to the compact metal part. However, this procedure can be applied to the production of methods for producing from compact
Aluminum and sintered aluminum
existing composite workpieces

Anmelder:Applicant:

Schweizerische Aluminium A. G., ChippisSwiss Aluminum A. G., Chippis

(Schweiz)(Switzerland)

Vertreter:Representative:

Dr. E. Jung und Dr. V. Vossius, Patentanwälte,Dr. E. Jung and Dr. V. Vossius, patent attorneys,

München 23, Siegesstr. 26Munich 23, Siegesstr. 26th

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Hans Hug, Neuhausen, Rheinfall (Schweiz)Hans Hug, Neuhausen, Rhine Falls (Switzerland)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Schweiz vom 9. Juni 1958 (60 375)Switzerland of 9 June 1958 (60 375)

Verbundwerkstücken aus Sinteraluminium und kompaktem Aluminium wegen des erwähnten Gehaltes an Aluminiumoxyd nicht übertragen.Composite workpieces made of sintered aluminum and compact aluminum because of the mentioned content not transferred to aluminum oxide.

Es ist weiter bekannt, ein Verbundwerkstück herzustellen, indem man ein aus einem Hartmetallpulver durch Kaltpressen, Vorsintern oder Fertigsintern gesondert hergestelltes Werkstück unter Druck und bei einer Temperatur von 1400 bis 1600° C mit einem Werkstück aus Kompaktmetall verbindet. Das Hartmetallpulver, wie Wolframcarbid, wird dabei in Mischung mit Kobalt, Nickel oder Eisen als niedrigschmelzendes Hilfsmetall angewendet. Auch diese Maßnahmen lassen sich nicht auf die Herstellung von Verbundwerkstücken aus kompaktem Aluminium und Sinteraluminium übertragen.It is also known to produce a composite workpiece by making a hard metal powder separately manufactured workpiece under pressure and with a temperature of 1400 to 1600 ° C with a workpiece made of compact metal. The hard metal powder, like tungsten carbide, is used as a low-melting auxiliary metal in a mixture with cobalt, nickel or iron. These too Measures cannot be applied to the production of composite workpieces from compact aluminum and sintered aluminum.

Desgleichen liegen beim Aufpressen von Pulver aus Silber oder einer Silberlegierung auf eine Unterlage aus Kompaktmetall bei einer Temperatur von etwa 205° C andere Verhältnisse vor, denn dabei entsteht kein Sintermetall, sondern ein festes, massives Werkstück aus Silber, das durch molekulare Bindekräfte fest mit der Unterlage verankert ist.The same applies to pressing powder made of silver or a silver alloy onto a base made of compact metal at a temperature of around 205 ° C there is no sintered metal, but a solid, solid workpiece made of silver, which is produced by molecular Binding force is firmly anchored to the base.

Ferner wird noch darauf hingewiesen, daß sich aus Carbonylmetallen, wie Eisen, Nickel, Kobalt und Molybdän, erhaltene Pulver sehr leicht sintern lassen und Sinterkörper bilden, die ohne Schwierigkeiten mit anderen Metallen verbunden werden können. So kann man ein solches Carbonylmetall in Pulverform unmittelbar durch Walzen bei hoher Temperatur auf Metallplatten unter Bildung von Verbundplatten aufpressen. It is also pointed out that carbonyl metals such as iron, nickel, cobalt and Molybdenum, powder obtained can be sintered very easily and form sintered bodies without difficulty can be connected to other metals. So you can get such a carbonyl metal in powder form Press directly onto metal plates by rolling at high temperature to form composite plates.

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Alle diese bekannten Arbeitsweisen haben sich aber zum Herstellen von Verbundwerkstücken aus kompaktem Aluminium und Sinteraluminium in der Praxis als völlig ungeeignet erwiesen.However, all of these known working methods have been used for the production of composite workpieces compact aluminum and sintered aluminum have proven to be completely unsuitable in practice.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß sich dieses spezielle technische Problem lösen läßt, wenn erfindungsgemäß ein aus einem kompakten Aluminiumteil und aus auf diesen Aluminiumteil kalt aufgepreßtem Aluminiumpulver erzeugtes Zwischenwerkstück während des Sinterns gepreßt wird.Surprisingly, it has now been found that this special technical problem can be solved, if according to the invention one from a compact aluminum part and from this aluminum part cold-pressed aluminum powder produced intermediate workpiece is pressed during sintering.

Unter dem Begriff »Aluminium« wird hier sowohl das Metall als auch die Aluminiumlegierungen im gekneteten oder gegossenen Zustand verstanden.The term "aluminum" is used here to refer to both the metal and the aluminum alloys in the Kneaded or cast state understood.

Als Aluminiumpulver wird vorzugsweise ein bekanntes, blättchenförmiges Pulver verwendet, das einen Aluminiumoxydgehalt von mindestens 6% und einen Gesamtfettgehalt von weniger als 0,3% aufweist. Es ist bekannt, Aluminiumsinterkörper hoher Warmfestigkeit durch Zusammenpressen oder Warmverformen und Sintern von solchem Aluminiumpulver herzustellen.As the aluminum powder, a known flaky powder is preferably used which has an alumina content of at least 6% and a total fat content of less than 0.3%. It is known that sintered aluminum bodies of high heat strength can be produced by pressing together or hot working and sintering such aluminum powder.

Die Zeichnungen erläutern das erfindungsgemäße Verfahren näher.The drawings explain the method according to the invention in more detail.

Fig. 1 und 2 zeigen das Kaltpressen in einem Gesenk;Fig. 1 and 2 show the cold pressing in one Die;

F i g. 3 zeigt einen aus dem nach F i g. 1 und 2 erzeugten Zwischenwerkstück hergestellten Kolben;F i g. 3 shows one of the FIGS. 1 and 2 generated Piston manufactured intermediate workpiece;

Fi g. 4 und 5 zeigen das Kaltpressen eines anderen Zwischenwerkstückes. _ Fi g. 4 and 5 show the cold pressing of another intermediate workpiece. _

In die zylindrische Matrize 1 eines Gesenkes (Fig. 1 und 2) wird ein kompakter Metallteil2 mit einem ringförmigen Vorsprung aus einer Aluminiumlegierung eingeführt und darauf die gewünschte Menge Aluminiumpulver 3 eingefüllt. Ein Stempel 4 preßt bei Raumtemperatur das Pulver zusammen, wobei gleichzeitig eine Verbindung mit dem Aluminiumteil 2 unter Bildung eines Zwischenwerkstückes eintritt. Dieses Kaltpressen erfolgt beispielsweise unter einem Druck von 1 bis 4 t/cm².A compact metal part 2 with an annular projection made of an aluminum alloy is inserted into the cylindrical die 1 of a die (FIGS. 1 and 2) and the desired amount of aluminum powder 3 is poured into it. A punch 4 presses the powder together at room temperature, at the same time a connection with the aluminum part 2 occurs with the formation of an intermediate workpiece. This cold pressing takes place, for example, under a pressure of 1 to 4 t / cm ² .

Dieses Zwischenwerkstück wird in eine Aluminiumfolie eingehüllt, in einem Ofen langsam auf hohe Temperatur erhitzt und anschließend unter höherem Druck, z. B. von 5 bis 8 t/cm³, in der Wärme sintergepreßt. Dadurch entsteht die gewünschte Sinterstruktur sowie eine innige Verbindung zwischen dem Sinteraluminium und dem kompakten Aluminiumteil.This intermediate workpiece is wrapped in an aluminum foil, slowly heated to a high temperature in an oven and then under higher pressure, e.g. B. from 5 to 8 t / cm ³ , sinter-pressed in the heat. This creates the desired sintered structure as well as an intimate connection between the sintered aluminum and the compact aluminum part.

Es kann anschließend noch ein Schmieden des Verbundwerkstückes zur Erzeugung eines Formkörpers, z. B. des in Fig. 3 abgebildeten Kolbens, vorgenommen werden. Dieser Kolben weist eine Zone 6 aus einer kompakten Aluminiumlegierung und eine Zone 7 aus gesintertem Aluminium auf. Das Schmieden bewirkt zusätzlich ein Kneten des gesamten Werkstückes und erhöht insbesondere die Dehnung des Sintermaterials.The composite workpiece can then be forged to produce a shaped body, z. B. the piston shown in Fig. 3 can be made. This piston has a zone 6 a compact aluminum alloy and a zone 7 made of sintered aluminum. The forging also kneads the entire workpiece and increases the elongation in particular of the sintered material.

Die F i g. 4 und 5 zeigen, wie ein kompakter Metallteil mit einem ringförmigen Sinterkörper versehen werden kann. Auf das in die Matrize 1 gelegte Aluminiumteil 8 mit Vorsprung 9 wird ein Kern 10 ge-The F i g. 4 and 5 show how a compact metal part is provided with an annular sintered body can be. A core 10 is placed on the aluminum part 8 with projection 9 placed in the die 1

stellt und das Aluminiumpulver 11 um diesen Kern herum eingefüllt. Das Kaltpressen erfolgt mit Hilfe eines Hohlstempels 12, und es wird ein ringförmiger, mit dem Aluminiumteil 8 verbundener Preßling 13 erzeugt. Aus dem Zwischenwerkstück läßt sichand the aluminum powder 11 is filled around this core. Cold pressing is done with the help a hollow punch 12, and it becomes an annular compact connected to the aluminum part 8 13 generated. From the intermediate workpiece can

ίο durch Sintern unter Druck ein Verbundwerkstück und aus diesem durch Schmieden ein Kolben herstellen, dessen Kolbenringzone aus gesintertem Aluminium besteht.
In den vorstehenden Beispielen wird das Schmieden anschließend an das Sinterpressen vorgenommen. Es ist aber auch möglich, das Schmieden und das Sinterpressen in einem einzigen Arbeitsgang durchzuführen.
Für den Vorgang des Sinterpressens in der Wärme gelten im allgemeinen die Arbeitsvorschriften, die bei der Herstellung von Aluminiumsinterwerkstücken üblich sind, unter der Voraussetzung, daß auf die Eigenschaften des Werkstoffes des kompakten Aluminiumteils Rücksicht genommen wird. Wenn z. B.ίο a composite workpiece by sintering under pressure and from this produce a piston by forging, the piston ring zone of which consists of sintered aluminum.
In the above examples, forging is done after sintering. But it is also possible to carry out forging and sintering in a single operation.
For the process of hot sintering, the working instructions that are customary in the manufacture of sintered aluminum workpieces generally apply, provided that the properties of the material of the compact aluminum part are taken into account. If z. B.

das Sinteraluminium mit einer Aluminiumlegierung verbunden werden muß, sollen die Glüh- und die Sintertemperatur unterhalb des Soliduspunktes der Legierung bleiben.the sintered aluminum must be connected to an aluminum alloy, the annealing and the The sintering temperature remains below the solidus point of the alloy.

Claims (3)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zum Herstellen von aus kompaktem Aluminium und aus Smteraluminium bestehenden, gegebenenfalls geschmiedeten Verbundwerkstücken unter Herstellen eines Zwischenwerkstückes durch kaltes Aufpressen und Sintern von Metallpulver auf einen kompakten Metallteil, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einem kompakten Aluminiumteil und aus auf diesen Aluminiumteil kalt aufgepreßtem Aluminiumpulver erzeugtes Zwischenwerkstück während des Sinterns gepreßt wird.1. Process for the manufacture of compact aluminum and smter aluminum, optionally forged composite workpieces with the production of an intermediate workpiece by cold pressing and sintering of metal powder onto a compact metal part, characterized in that one made of a compact aluminum part and one cold-pressed onto this aluminum part Aluminum powder produced intermediate workpiece is pressed during sintering. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aluminiumpulver bekanntes, blättchenförmiges Pulver mit einem Aluminiumoxydgehalt von mindestens 6°/o und einem Gesamtfettgehalt von weniger als 0,3 % verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that known as aluminum powder, flaky powder with an aluminum oxide content of at least 6% and one Total fat content of less than 0.3% is used. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinterpressen und das Schmieden in einem Arbeitsgang durchgeführt werden.3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the sintering pressing and forging can be carried out in one operation. In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 598 766, 661132,
939 537;Considered publications:
German patent specifications No. 598 766, 661132,
939,537; USA.-Patentschriften Nr. 2 331909, 2 361089.U.S. Patent Nos. 2,331,909, 2,361,089. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings 509 779/224 1.66 © Bundesdruckerei Berlin509 779/224 1.66 © Bundesdruckerei Berlin