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Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Formkörpern aus
Wolfram und Kupfer Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulvermetallurgischen
Herstellung von funkenerosionsbeständigen Formkörpern oder Fertigteilen aus Wolfram
und Kupfer oder einer Kupferlegierung mit mindestens 88 Gewichtsprozent Kupfer.
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Formkörper dieser Art, deren Zusammensetzung bekannt ist, haben verschiedene
Verwendungszwecke, insbesondere verwendet man dieselben als das Metall für elektrische
Kontakte. Bei elektrischen Geräten schließen diese Kontakte den Stromkreis, damit
der Strom hindurchfließen kann; durch deren Trennung voneinander wird der Stromkreis
wieder unterbrochen. Beim Schließen und beim Unterbrechen der Kontakte treten Funken
auf. Das Metall dieser Kontakte muß also sorgfältig ausgewählt werden, um der Funkenerosion
sowie der Oxydation zu widerstehen. Die Legierungen aus Wolfram und Kupfer oder
aus Wolfram und einer Kupferlegierung gestatten die Lösung einer großen Anzahl von
Problemen, die mit der Verwendung von elektrischen Kontakten verbunden sind. Für
einen anderen Verwendungszweck stellt man aus diesen Legierungen Elektroden zum
Buckelschweißen her. Insbesondere gestattet dieses Schweißverfahren beispielsweise,
ein Feinblech auf ein Grobblech zu schweißen, wobei das Verhältnis der Blechstärken
über 5 hinausgehen kann. Bei dieser Art des Schweißens durch Funkenbildung werden
die Elektroden, bevor man die zu verschweißenden Stücke miteinander in Berührung
bringt, unter Spannung gesetzt. Man nähert hierauf die letzteren einander, und zwar
zunächst langsam, dann allmählich immer schneller, um schließlich, wenn die beiden
miteinander zu verschweißenden Teile genügend heiß sind, einen plötzlichen Druck
auszuüben. Dieses Verfahren erfordert die Verwendung von Elektroden aus einer Legierung
von Wolfram und Kupfer oder einer solchen aus Wolfram und einer Kupferlegierung;
sie sind für derartige Schweißarbeiten besonders geeignet infolge der Nebeneinanderstellung
eines hochwarmfesten Metalls mit hohem Widerstand gegen das Fließen, nämlich des
Wolframs, mit einem Metall, welches den elektrischen Strom und die Wärme gut leitet,
nämlich dem Kupfer. Eine weitere neuartige Anwendung finden diese Legierungen als
Elektroden für die mittels der Funkenerosion arbeitenden Werkzeugmaschinen. Aus
Gründen des billigen Werkstoffs werden diese Elektroden im allgemeinen aus Kupfer
hergestellt. Die Legierungen aus Kupfer und Wolfram sind nämlich sehr kostspielig,
wodurch deren Verwendung beschränkt bleibt. Der hohe Preis dieser Legierungen ist
jedoch nicht eigentlich auf den Preis des einen Bestandteils zurückzuführen, sondern
in der Hauptsache auf die hohen Kosten der Herstellung der Legierung sowie auf deren
Bearbeitung bzw. die Formgebung, insbesondere auf den Energieverbrauch bei Herstellung
des Formkörpers und in geringerem Maße auf die Zeit für die Bearbeitung bei Herstellung
der Elektroden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Gestehungspreis bei
Herstellung dieser Werkstoffe ganz erheblich gesenkt, wodurch die Verwendungsmöglichkeiten
weitaus zahlreicher werden. Bisher wurden nämlich diese Legierungen nach zwei Verfahren
hergestellt bzw. verarbeitet. Bei dem einen dieser Verfahren preßte man ein Gemisch
aus Kupferpulver und Wolframpulver oder ein solches aus dem Pulver einer Kupferlegierung
und Wolframpulver zu Preßlingen, welche anschließend gesintert und dann bearbeitet
wurden. Man hat jetzt erkannt, daß dieses Verfahren Produkte unzureichender Qualität
ergibt; ihre Porosität ist nämlich nie unter 80/" woraus sich ergibt, daß
die mechanischen und die elektrischen Eigenschaften mittelmäßig sind und unvereinbar
mit der für eine normale Verwendung bei den verschiedenen ins Auge gefaßten Verwendungszwecken
erforderlichen Qualität. Die Restporosität ist darauf zurückzuführen, daß die beiden
Metalle nicht miteinander legierbar sind und daß ihre Schmelzpunkte sehr weit auseinanderliegen.
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Das zweite dieser Verfahren besteht darin, daß man Wolframpulver zu
Preßlingen verpreßt, welche dann bei einer Temperatur von 1350 bis 1500°C gesintert
werden, d. h. bei einer Temperatur, bei welcher die Preßlinge auch nach dem Sintern
noch porös bleiben. Hierauf durchtränkt man den porösen Wolframpreßkörper mit Kupfer
oder mit einer kupferhaltigen
Legierung, indem man denselben in
eine Schmelze aus Kupfer oder einer Kupferlegierung eintaucht, und zwar unter einer
reduzierenden Atmosphäre. Die Preßkörper werden nach dem Durchtränken manchmal noch
in warmem Zustand gehämmert und dann bearbeitet, um die richtigen Maße zu erhalten.
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In der »Zeitschrift für Metallkunde«, Bd. 48 (1957), S. 189, ist neben
den oben geschilderten auch noch ein weiteres Verfahren angeführt, nämlich durch
Tränken eines gepreßten, ungesinterten Wolframpulvers ohne nachträgliche Kalt- oder
Warmverformung zu den gewünschten Formkörpern zu kommen. Aus der grundlegenden Arbeit
von K i e f f e r und H o t o p, »Pulvermetallurgie und Sinterwerkstoffe« (1943),
geht jedoch auf S.325 hervor, daß die Härtewerte der damit hergestellten Verbundkörper
für die praktischen Anforderungen unzureichend sind und auch bei einer verdichtenden
Nachbehandlung durch Strangverpressung gegenüber den Produkten aus den beiden anderen
geschilderten Verfahren noch unterlegen sind. Aus der Zahlentafel 78 dieser Literaturstelle
geht auch hervor, daß man für dieses Tränkverfahren nur verhältnismäßig grobkörnige
Pulver mit einer Korngröße von 100 bis 400 u, in Betracht zog.
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Besonders nachteilig ist es, daß alle bisherigen Verfahren einer Nachbearbeitung
bedürfen, um die gewünschte endgültige Form zu erreichen. Dies liegt daran, daß
das Tränkverfahren des Wolframpulvers mit geschmolzenem Kupfer und das Sinterungsverfahren
des Gemisches des Wolframpulvers mit Kupferpulver nur zu porösen Verfahrensprodukten
führen, die nachverdichtet werden müssen, und daß mit dem bisher günstigsten Verfahren
der Tränkung des gesinterten Wolframpreßkörpers die Verfahrensprodukte zunächst
in einer Übergröße hergestellt werden müssen, um den nicht vorausberechenbaren Volumenschwund
bei der Sinterung zu berücksichtigen. Gerade aber die letztere Abarbeitung der Übergröße
mit Hartmetallwerkzeugen ist äußerst aufwendig und unbequem.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung dieser Verbundkörper
aus Wolfram und Kupfer in möglichst direkter Weise und in der endgültigen Form,
ohne daß eine weitere Bearbeitung notwendig wäre, nach einem sehr einfachen Verfahren,
zu einem Gestehungspreise, der sehr viel niedriger ist als bei den bisher bekannten
Verfahren, wobei das Verfahren nur zwei Arbeitsgänge umfaßt, nämlich das Verformen
des Wolframs durch Pressen und das Durchtränken des dabei erhaltenen Formstückes
mit geschmolzenem Kupfer oder mit der Schmelze einer Legierung, die reich an Kupfer
ist.
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Der Gegenstand der Erfindung besteht dementsprechend in einem Verfahren
zur pulvermetallurgischen Herstellung von funkenerosionsbeständigen Formkörpern
oder Fertigteilen aus Wolfram und Kupfer oder einer Kupferlegierung mit mindestens
88 °/o Kupfer durch Pressen von Wolframpulver in die gewünschte Form und Tränken
des ungesinterten Preßkörpers, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der zu tränkende
Preßkörper aus feinkörnigem mit einem Gleitmittel versehenem Wolframpulver hergestellt
wird, wobei für einen Kupfer- oder Kupferlegierungsgehalt des Verbundkörpers von
15 bis 25 % ein Wolframpulver mit 40 000 bis 80 000 cm2/cm3 spezifischer
Oberfläche und 0,5 bis 3 #t Teilchengröße mit 42 bis 120 kg/mm2 verpreßt wird, für
einen Kupfer- oder Kupferlegierungsgehalt von 25 bis 38 °/o ein gleiches Wolframpulver
mit 8 bis 46 kg/mm2 verpreßt wird und für einen Kupfer- oder Kupferlegierungsgehalt
von 35 bis 45 °/o ein Wolframpulver mit 80 000 bis 180 000 cm2/cm3 spezifischer
Oberfläche und 0,1 bis 0,75 [. Teilchengröße mit 5 bis 12 kg/mm2 verpreßt wird.
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Die Senkung des Gestehungspreises ergibt sich bei diesem neuartigen
Verfahren daraus, daß der Arbeitsgang des Sinterns bei hoher Temperatur, welcher
der kostspieligste ist, vermieden werden kann. Die vorliegende Erfindung beruht
auf der Entdeckung, daß das Sintern für die Zähigkeit der Legierung nicht notwendig
ist, vorausgesetzt daß das Gefüge und die Körnung des Wolframpulvers sorgfältig
gewählt werden in Abhängigkeit von der für die fertige Legierung gewünschten Zusammensetzung
und daß der zum Verpressen angewandte Druck in Abhängigkeit sowohl von den Eigenschaften
des Pulvers als auch von der für die fertige Legierung gewünschten Zusammensetzung
bestimmt wird.
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Der Zustand, welchen das Wolframpulver für die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens haben muß, wird bestimmt durch die durchschnittliche Größe der Teilchen,
die spezifische Oberfläche und die scheinbare Dichte, wobei die letztere bereits
im wesentlichen durch die beiden ersten Meßgrößen bestimmt ist.
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Die spezifische Oberfläche der Körnchen, d. h. die Oberfläche derselben
in Quadratzentimeter je Kubikzentimeter Pulver, wird bestimmt durch das Maß der
Durchlässigkeit einer Pulverschicht für die Luft. Diese Durchlässigkeit steht nach
der modifizierten Gleichung von Koseny in einer Beziehung zu der Porosität der Schicht
sowie zu der spezifischen Oberfläche.
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Die mittlere Größe der Wolframkörnchen wird mit dem Gerät von R i
g d e n bestimmt.
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Die scheinbare Dichte wird bestimmt durchMessung des Raumgehalts eines
bekannten Gewichts Wolframpulver nach Einrütteln des Pulvers in ein graduiertes
Meßglas.
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Auch das Hämmern wird bei dem neuen Verfahren überflüssig. Der Fortfall
des Sinterns der Wolframpreßlinge, das man bisher niemals unterlassen durfte, bringt
einen weiteren sehr wichtigen Vorteil gegenüber den älteren Verfahren mit sich.
Die Maße der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Fertigteile sind nämlich
die Maße, welche man beim Verpressen der Wolframpreßkörper erhält. Man kann also
Teile mit den erforderlichen Maßen direkt ohne jede Bearbeitung gebrauchsfertig
herstellen oder zumindest Teile, die außen keiner weiteren Bearbeitung bedürfen,
was bei dem üblichen Verfahren nicht möglich war, da ja beim Sintern bei einer Temperatur
von etwa 1400°C der Wolframpreßling einer nicht mit Genauigkeit vorherzusehenden
Schwindung unterlag.
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Die sehr bedeutenden Vorteile des neuartigen Verfahrens sind also
die folgenden: Fortfall des kostspieligsten Arbeitsganges, nämlich des Sinterns
des Wolframpreßlings, Fortfall des Hämmerns, die Möglichkeit des Pressens der Teile
mit den endgültigen Maßen, ohne weitere Bearbeitung.
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Um beispielsweise eine Legierung mit einem Gehalt von 30°/o Kupfer
und 70°/o Wolfram herzustellen, geht man in der folgenden Weise vor: Man verwendet
ein Wolframpulver, dessen spezifische Oberfläche sich auf 50 000 cm2/cm3, die durchschnittliche
Größe der Teilchen auf 1,2 V, und die anscheinende Dichte nach dem Einrütteln auf
5,5 g/cm3 beläuft. Dieses Pulver
wird mit einem Gleitmittel vermischt,
um das Verpressen zu erleichtern. Dabei können verschiedene bekannte Verfahren der
Schmierung von Metallpulvern verwendet werden, insbesondere der Zusatz von 1,5°/o
Paraffin zu dem Wolframpulver, wobei das Paraffin in einem flüchtigen Lösungsmittel,
beispielsweise einem Leichtbenzin, gelöst ist. Diese Lösung wird auf das Wolframpulver
gegossen, worauf das Lösungsmittel abgedampft wird. Das auf diese Weise vorbereitete
Wolframpulver wird in einer Matrize unter einem Druck von 10 kg/mm2 auf die gewünschte
Form gepreßt. Der auf diese Weise erhaltene Preßling wird hierauf in ein Bad geschmolzenen
Kupfers getaucht, und zwar unter einer Wasserstoffatmosphäre. Im Verlauf des Durchtränkens
mit Kupfer ändern sich die Maße des Wolframpreßlings nicht; infolgedessen hat das
Fertigteil nach dem Durchtränken, d. h. bei Abschluß des Verfahrens, die anfänglichen
Abmessungen des Preßkörpers.
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Um eine Legierung mit einem Kupfergehalt von 200/, zu erhalten, wendet
man das gleiche Verfahren an, jedoch wird das Wolframpulver mit den gleichen Kennwerten
wie in dem ersten Beispiel dann unter einem Druck von 80 kg/mm2 verpreßt.
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Bei Kupfergehalten von über 380/, ist das zu verwendende Wolframpulver
gekennzeichnet durch eine größere spezifische Oberfläche, etwa 120 000 cm2/cm3,
wobei sich die Durchschnittsgröße der Teilchen auf 0,5 #t und die anscheinende Dichte
nach dem Einrütteln auf 2 g/cm3 beläuft.
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Um zu verallgemeinern und die Hauptverwendungsfälle zu erfassen, kann
man sagen: a) Legierungen mit einem Gehalt von 15 bis 250/,
reinen Kupfers
oder bis zu 12°/0 legierten Kupfers: Der Druck für das Pressen eines Wolframpreßkörpers
beläuft sich auf 42 bis 120 kg/mm9 bei einem sorgfältig geschmierten Wolframpulver,
dessen spezifische Oberfläche sich auf 40 000 bis 80 000 cm2/cm3, die Durchschnittsgröße
der Teilchen auf 0,5 bis 3 #t und die anscheinende Dichte nach dem Einrütteln auf
4 bis 6 g/cm3 beläuft.
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b) Legierung mit einem Gehalt von 25 bis 38 °/o reinen Kupfers oder
bis zu 12°/0 legierten Kupfers: Der Druck für das Pressen eines Wolframpreßkörpers
beläuft sich auf 8 bis 46 kg/mm2 bei einem mit einem Gleitmittel getränkten Wolframpulver
der gleichen Kennwerte wie unter a).
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c) Legierungen mit einem Gehalt von 35 bis 450/, reinen Kupfers oder
bis zu 12°/0 legierten Kupfers: Der Druck für das Pressen eines Wolframpreßkörpers
beläuft sich auf 5 bis 12 kg/mm2 bei einem sorgfältig geschmierten Wolframpulver,
dessen spezifische Oberfläche sich auf 80 000 bis 180 000 cm2/cm3, die durchschnittliche
Teilchengröße auf 0,1 bis 0,75 [. und die anscheinende Dichte nach dem Einrütteln
auf 1,5 bis 2,5 g/cm3 beläuft.