EP0387491A2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von dispersionsverfestigten Kupferformteilen - Google Patents

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EP0387491A2
EP0387491A2 EP90100718A EP90100718A EP0387491A2 EP 0387491 A2 EP0387491 A2 EP 0387491A2 EP 90100718 A EP90100718 A EP 90100718A EP 90100718 A EP90100718 A EP 90100718A EP 0387491 A2 EP0387491 A2 EP 0387491A2
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EP
European Patent Office
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melt
boride
copper
press die
dispersion
Prior art date
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Withdrawn
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EP90100718A
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Fehmi Dr. Nilmen
Heinrich Dr. Winter
Horst D. Klees
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Battelle Institut eV
Original Assignee
Battelle Institut eV
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Publication date
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Publication of EP0387491A3 publication Critical patent/EP0387491A3/de
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D18/00—Pressure casting; Vacuum casting
    • B22D18/02—Pressure casting making use of mechanical pressure devices, e.g. cast-forging
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0047—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
    • C22C32/0073—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents only borides

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing dispersion-strengthened copper moldings and an apparatus for carrying out the method.
  • Dispersion-strengthened materials based on copper are of great technical interest for applications in which the combination of the properties of high heat resistance and high electrical conductivity or thermal conductivity is required, such as e.g. in the field of electrical engineering and welding and automotive engine technology. Nevertheless, these materials have not gained any significant importance in practice to date. The main reasons for this are that the powder metallurgical manufacturing processes usually used for these materials are not efficient enough. For example, the production of the oxide dispersion-strengthened material Cu-Al2O3 by the method of internal oxidation leads to a semi-finished product, which due to its low ductility can only be further machined to give molded parts. With this method of operation, however, the actual economic advantage of powder metallurgy production near the final shape is lost without the consequent major loss of material.
  • the present invention is based on the object of specifying a rational method for producing dispersion-strengthened copper molded parts on the melting path and an apparatus for carrying out the method.
  • the method according to the invention permits the rational production of molded parts or near-net-shape parts with consequent little material loss on the melting path.
  • the parts produced also have good material properties because the problem of gravity can be overcome satisfactorily.
  • the inventors started from the idea that a uniform distribution of fine dispersoids in a molten metal matrix is easiest to achieve if the disperse phase can be generated in situ in the melt via precipitation reactions.
  • the prerequisite for this, however, is that the dispersoid nucleation takes place homogeneously and the critical nucleus radius remains small.
  • the intermediate compounds AlB2, TiB2, ZrB2, HfB2, VB2, NbB2 and CrB2 always separate from a copper melt with homogeneous nucleation and very small critical seed radii, whereby diverse dispersoid forms such as rod-shaped, fibrous and angular dispersoids can arise.
  • the formation of the stable dispersoid dispersion could be determined in a wide saturation range of the specified element additions. Due to the low melting temperature and a relatively high selected supersaturation, the increase in gravity can be delayed over a longer period. The tendency to increase gravity is already low in the elements specified in claim 4 due to the small difference in density of the borides formed to copper (in the case of HfB2 there is no significant difference), since the borides float more or less in the melt.
  • this is solved by molding the melts between a punch and a die, a good degree of mold filling being achieved.
  • the required device is simple to carry out and the melt can be solidified at the same time with the molding by the stamp.
  • the solidified parts have at least the near-net shape and can be reworked in any way or used as a raw material for semi-finished products.
  • the processing of the melt according to the invention is easy to control and can be automated without further ado, for which the arrangement specified in claim 14 is suitable.
  • High-quality copper molded parts resulted from the use of materials such as hot-work steels and materials based on molybdenum, tungsten or hard metal for the press die and the stamp.
  • melt material in the mold in the form of a powder compact of the appropriate composition.
  • melt material in the mold in the form of a powder compact of the appropriate composition.
  • molded parts of small dimensions can be produced or an additional melting device can be dispensed with, the melting, molding and solidification being able to be carried out in one mold block.
  • molded parts as specified in claim 11, can be produced efficiently, with the possibility of using gold or silver instead of copper.
  • melts which are supersaturated with boron or boride-forming elements of groups IVA, VA and VIA of the periodic table and / or aluminum are used as melts .
  • one or more systems of the compositions Cu-AlB2, Cu-TiB2, Cu-ZrB2, Cu-HfB2, Cu-VB2, Cu-NbB2 or Cu-CrB2 are used as melt systems.
  • the supersaturation of the melts ie the material to be melted on boron or the boride-forming elements or aluminum, is set up in such a way that a homogeneous boride dispersion suddenly forms in the melt, which is overheated at a maximum of 300 ° C.
  • a stable, homogeneous boride dispersion of various dispersoid forms with rod-shaped, fibrous or even angular dispersoids, which arise with homogeneous nucleation and very low critical nucleus radii, can develop within wide supersaturation limits.
  • the supersaturation of stoichiometric additives of the type mentioned can be selected such that between 1% by volume and 35% by volume of boride dispersion embedded in the copper matrix results.
  • the boride-forming elements and / or aluminum listed above are preferably added in such a way that borides of 2% by volume to 14% by volume form in the melt.
  • the copper melts with the listed boride-forming elements are also preferably melted when the melt is overheated between 5 ° C and 15 ° C.
  • the melting process for producing the melts explained above is schematically outlined in FIG. 1a.
  • the melting material is located in a crucible with perforated brick 2, the lower outlet opening of which is surrounded by an induction coil is closed with a plug rod 1.
  • the boron reacts with the boride-forming elements in the melt, which is supersaturated with boron and these elements, to form intermediate compounds, and the desired sudden dispersoid formation occurs in the melt.
  • the stopper rod 1 has been lifted upwards, and until the stopper rod is lowered into the outlet opening, a metered amount of melt flows into a casting mold provided as a pressing die 3 and arranged below the perforated brick.
  • the bottom of the press die has an ejector 6, which is designed in the exemplary embodiment in the form of an ejection stamp and can be moved in the vertical direction and closes the bottom of the press die 3 during casting.
  • the press die is hollow-cylindrical. In addition, however, a wide variety of hollow shapes are conceivable depending on the molded part to be produced.
  • a punch 4 is lowered from above into the press die 3 filled with the melt and, for this purpose, pressurized with a pressure of about 5 bar to 7o bar, so that the dispersoid-containing melt is formed into a molded part 5 under the pressure becomes.
  • the molded part 5 is made using measures customary in melting technology, e.g. with the support of the rapid solidification by water cooling, brought to solidification and ejected in the work step indicated in FIG. 1d after lifting the plunger 4 by moving the ejector 6 upwards from the press die 3.
  • Hot-work steels and preferably powder metallurgy materials based on molybdenum or tungsten or materials made of hard metal should be used as the material for the stamp and the press die.
  • the molds or matrices can also be arranged in a carousel which receives the molds in order to fill them with melt step by step under a preferably fixed metering device and then under a preferably also fixed arrangement with stamps to give molded parts to squeeze.
  • 2 schematically shows a corresponding carousel arrangement which has a fixed charging device 8 arranged above the carousel and is rotatably supported on a rotating axis 9.
  • Mold blocks 10 are accommodated in the carousel, into which an exactly metered amount of melt 11 is filled with the aid of the charging device 8, if an empty mold block has previously been brought about by the rotation of the carousel and is located below the charging device 8. This can e.g. correspond to the device shown in Fig.1 with perforated brick and plug rod.
  • the filled mold block 10 is guided by a corresponding rotation of the carousel under the likewise fixed arrangement with stamp 4.
  • the stamp is then pressed into the melt 11 as in FIG. 1c, which rises into the space between the mold and the stamp to form a rapidly solidifying hollow body, which is removed as the molded part 5 after the stamp 4 has solidified and pulled out.
  • An ejection ram 6 and an ejection cam 7 arranged underneath serve as a fixed ejection device provided below the carousel and the arrangement with a stamp.
  • the charging devices 8a, 8b, 8c shown in FIGS. 3a to 3c are suitable as charging devices.
  • Fig.3a the simplest solution is outlined with a plug rod 1 guided in a crucible 2 'and closing its outlet opening during the melting process.
  • An induction coil 12 surrounding the crucible generates the melting temperature for melting the melting material introduced into the crucible.
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment according to the invention, in which the melt is generated directly in the mold block 10 or the press die. This enables fast production of molded parts through direct current passage.
  • the mold block 10 made of a material with low electrical conductivity is, as indicated in FIG. 4 a, charged with a powder compact 13, which can be produced as explained above.
  • a mold block 1O contains a cylindrical recess for receiving melt 11. To the bottom of this recess extends a guided through the bottom of the mold block 1O movable ejector pin 6 ', which can be pretensioned by an indicated spring at its end protruding from the mold block and the recess seals down for the melt in block 10.
  • the stamp comprises the round rod 4a to be pressed into the melt 11, which passes through the inside specifies knife of the pipe section to be produced, and an upper stamp part 4b. This has a cavity with a spiral spring accommodated therein and a guide opening for the round rod 4a provided below the spring.
  • the underside of the round rod 4a bumps against the ejection pin 6 ', the diameter of which is approximately equal to that of the round rod 4a, and presses the pin 6' somewhat downward against the action of its spring.
  • the spring in the stamp part 4b is also compressed by the round rod 4a and the underside of the stamp part 4b, which has the same diameter as the block recess, lies here on the surface of the ascending melt, which is thus enclosed between the stamp parts 4a and 4b and the mold block recess is.
  • the punch is moved upward, the ejection pin 6 'biased by its compressed spring moving upward and ejecting the finished pipe section 15 shown in FIG. 5B.
  • the device of FIG. 5 is suitable for the automated production explained with reference to FIG. 2 and delivers faultless pipe sections in a quick and simple manner.
  • any other type of design is also possible, provided that these ensure metering of the melt or the material to be melted, as well as shaping under pressure.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von dispersionsverfestigten Kupferformteilen, wobei eine mit maximal 3OO °C überhitzte Kupferschmelze hergestellt wird, die mit Bor und einem oder mehreren boridbildenden Elementen der Gruppen IVA, VA und VIA des Periodensystems und/oder Aluminium derart übersättigt wird, daß sich in der überhitzten Schmelze schlagartig eine homogene, weitgehend stabile Boriddispersion bildet, und eine vorgegeben Menge dieser boridhaltigen Kupferschmelze entweder direkt in einer Preßmatrize hergestellt wird oder dosiert in diese eingebracht wird und unmittelbar nach ihrer Herstellung bzw. Einbringung mit Hilfe eines Stempels vorzugsweise unter Anwendung von Preßdruck geformt und vor Entnahme des fertigen oder endformnahen Kupferformteils zur Erstarrung gebracht wird. Das Verfahren ist rationell und flexibel und es können qualitativ hochwertige Teile bei optimaler Materialausnutzung in leicht automatisierbaren, einfachen Vorrichtungen hergestellt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Her­stellen von dispersionsverfestigten Kupferformteilen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Dispersionsverfestigte Werkstoffe auf der Basis von Kupfer sind von großem technischen Interesse für Anwendungen, bei denen die Kombination der Eigenschaften einer hohen Warmfe­stigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit bzw. Wärme­leitfähigkeit erforderlich ist, wie z.B. im Bereich der Elektrotechnik und der Schweiß- und Kfz.-Motortechnik. Den­noch haben diese Werkstoffe in der Praxis bis heute keine nennenswerte Bedeutung erlangt. Die Gründe hierfür liegen hauptsächlich darin, daß die für diese Werkstoffe üblicher­weise angewandten pulvermetallurgischen Fertigungsverfahren nicht rationell genug sind. So führt beispielsweise die Herstellung des oxiddispersionsverfestigten Werkstoffs Cu-Al₂O₃ nach der Methode der inneren Oxidation zu einem Halbzeug, das aufgrund seiner geringen Duktilität nur spanabhebend zu Formteilen weiterverarbeitet werden kann. Bei dieser Arbeitsweise geht jedoch der eigentliche wirt­schaftliche Vorteil der pulvermetallurgischen Fertigung der endformnahen Produktion ohne infolgedessen größeren Materi­alverlust verloren.
  • Rationellere Fertigungsverfahren wie z.B. der Formguß sind bis jetzt im Zusammenhang mit dispersionsverfestigten Kup­ferwerkstoffen nicht bekannt geworden. Dies ist darauf zu­rückzuführen, daß es nicht gelingt, die Dispersoide wie Al₂O₃ und BeO in einer Kupferschmelze unter Vermeidung von Schwereseigerung gleichmäßig zu suspendieren. Auch Versu­che, die Schwereseigerung in der Kupferschmelze durch eine Ultraschalleinwirkung zu begrenzen, blieben stets ohne greifbares Ergebnis.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein rationelles Verfahren zum Herstellen von dispersionsverfe­stigten Kupferformteilen auf dem Schmelzweg sowie eine Vor­richtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 und 13 gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die rationelle Fertigung von Formteilen oder endformnahen Teilen mit folg­lich geringem Materialverlust auf dem Schmelzweg. Die her­gestellten Teile weisen ferner gute Materialeigenschaften auf, denn das Problem der Schwereseigerung kann zufrieden­stellend bewältigt werden.
  • Die Erfinder gingen von der Überlegung aus, daß sich eine gleichmäßige Verteilung feiner Dispersoide in einer schmelzflüssigen Metallmatrix am einfachsten realisieren läßt, wenn die disperse Phase über Fällungsreaktionen in-situ in der Schmelze erzeugt werden kann. Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß die Dispersoidkeimbildung homogen abläuft und der kritische Keimradius gering bleibt. Es wurde gefunden, daß dies für die im Anspruch 1 angegebenen übersättigten Stoffsysteme der Fall ist, wobei Untersuchun­gen an Cu-Al-B, Cu-Ti-B, Cu-Zr-B, Cu-Hf-B, Cu-V-B, Cu-Nb-B und Cu-Cr-B - Schmelzen zeigten, daß die genannten Voraus­setzungen in den Systemen Cu-AlB₂, Cu-TiB₂, Cu-ZrB₂, Cu-HfB₂, Cu-VB₂, Cu-NbB₂ und Cu-CrB₂ in besonders hohem Maße erfüllt werden. Aufgrund ihres sehr kleinen Löslich­keitsprodukts im schmelzflüssigen Kupfer und ihrer sehr ho­hen Schmelztemperatur scheiden sich die intermediären Ver­bindungen AlB₂, TiB₂, ZrB₂, HfB₂, VB₂, NbB₂ und CrB₂ aus einer Kupferschmelze stets mit homogener Keimbildung und sehr geringen kritischen Keimradien aus, wobei vielfältige Dispersoidformen wie stäbchen-, faserförmige und eckige Di­spersoide entstehen können.
  • Die Bildung der stabilen Dispersoiddispersion konnte in ei­nem weiten Sättigungsbereich der angegebenen Elementzusätze festgestellt werden. Durch die niedrige Schmelztemperatur und eine verhältnismäßig hohe gewählte Übersättigung kann die Schwereseigerung über längere Zeit hinausgezögert wer­den. Die Neigung zur Schwereseigerung ist bei den im An­spruch 4 angegebenen Elementen aufgrund des geringen Dichteunterschiedes der gebildeten Boride zu Kupfer (im Fall des HfB₂ liegt kein wesentlicher Unterschied vor) bereits gering, da die Boride mehr oder weniger in der Schmelze schweben.
  • Da die Dispersoide in der Schmelze nicht agglomerieren und sich kaum vergröbern, bietet sich prinzipiell die Weiter­verarbeitung der Schmelzen durch Vergießen zu Formteilen an. Dies kann aber aufgrund des geringen Fließvermögens der Schmelzen, das mit der durch die starke Übersättigung und geringe Überhitzung bedingten hohen Viskosität zusammen­hängt, nicht nach einem der üblichen Gießverfahren erfol­gen.
  • Erfindungsgemäß wird dies durch das Formen der Schmelzen zwischen einem Stempel und einer Preßmatrize gelöst, wobei eine guter Formfüllungsgrad erzielt wird. Die benötigte Vorrichtung ist einfach ausführbar und mit dem Formen durch den Stempel kann die Schmelze gleichzeitig zur Erstarrung gebracht werden. Die erstarrten Teile haben zumindest be­reits die endformnahe Gestalt und können in beliebiger Weise nachbearbeitet werden oder als Vormaterial für Halbzeugprodukte genutzt werden.
  • Die erfindungsgemäße Verarbeitung der Schmelze ist leicht steuerbar und kann ohne weiteres automatisiert werden, wozu sich die im Anspruch 14 angegebene Anordnung eignet.
  • Faßt man die Vorteile der verwendeten Schmelzenzusammenset­zung mit denen der Verarbeitung der Schmelze zu Formteilen zusammen, so ergeben sich die Vorteile einer hohen Produk­tivität, einer hohen Gefügequalität, Formgenauigkeit und Oberflächengüte bei optimaler Materialausnutzung und fle­xibler Fertigung.
  • Qualitativ hochwertige Kupferformteile ergaben sich bei Verwendung von Werkstoffen wie Warmarbeitsstählen und Werk­stoffen auf der Basis von Molybdän, Wolfram oder aus Hart­metall für die Preßmatrize und den Stempel.
  • Mit einem Preßdruck zwischen 5 bar und 7O bar kann eine be­sonders feinkörnige Erstarrung der Kupfermatrix gewährlei­stet werden. Ein geringer stöchiometrischer Überschuß an boridbildenden Elementen erbringt einen zusätzlichen Aus­härtungseffekt.
  • Bei vielen Anwendungen empfehlen sich die Dosierung der Schmelze bzw. die Vorgabe des Schmelzguts in der Preßform in Form eines Pulverpreßlings entsprechender Zusammenset­zung. So können insbesondere Formteile geringer Abmessungen hergestellt werden oder auch auf eine zusätzliche Schmelz­vorrichtung verzichtet werden, wobei das Schmelzen, Formen und Erstarren in einem Formblock ausführbar sind.
  • Erfindungsgemäß können unterschiedlichste Formteile, wie sie im Anspruch 11 angegeben sind, rationell hergestellt werden, wobei auch die Möglichkeit des Einsatzes von Gold oder Silber anstelle von Kupfer besteht.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen nä­her erläutert. Es zeigen
    • Fig.1 ein erstes Ausführungsbeispiel zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dessen einzelnen Verfahrensschritten,
    • Fig.2 eine vorteilhafte Weiterbildung der anhand Fig. 1 erläuterten Vorrichtung zur Automatisierung des erfindungs­gemäßen Verfahrens,
    • Fig. 3 drei Ausführungsbeispiele für eine in Fig.2 ge­zeigte Chargiervorrichtung,
    • Fig.4 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsge­mäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Schmelze in der Preßmatrize erzeugt wird, und
    • Fig.5A ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsge­mäßen Vorrichtung zur Herstellung von Rohren und Fig.5B ein gemäß Fig.5A hergestelltes Rohrstück.
  • In sämtlichen anhand der Figuren 1 bis 5 im folgenden er­läuterten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Ver­fahrens bzw. der Vorrichtung zu dessen Durchführung werden als Schmelzen Kupferschmelzen, die mit Bor oder boridbil­denden Elemente der Gruppen IVA, VA und VIA des Periodensy­stems und/oder Aluminium übersättigt sind, verwendet. Als Schmelzensysteme werden z.B. ein oder mehrere Systeme der Zusammensetzungen Cu-AlB₂, Cu-TiB₂, Cu-ZrB₂, Cu-HfB₂, Cu-VB₂, Cu-NbB₂ oder Cu-CrB₂ verwendet. Die Übersättigung der Schmelzen, d.h. des zu schmelzenden Guts an Bor bzw. den boridbildenden Elementen oder Aluminium wird so angesetzt, daß sich in der mit maximal 3oo °C überhitzten Schmelze schlagartig eine homogene Boriddispersion bildet.
  • Eine stabile, homogene Boriddispersion vielfältiger Dispersoidformen mit stäbchen-, faserförmigen oder auch eckigen Dispersoiden,die mit homogener Keimbildung und sehr geringen kritischen Keimradien entstehen, kann sich in weiten Übersättigungsgrenzen ausbilden. So kann die Übersättigung an stöchiometrischen Zusätzen der genannten Art so gewählt werden, daß sich zwischen 1Vol.% bis zu 35Vol.% an in der Kupfermatrix eingelagerter Boriddispersion ergibt.
  • Ferner wird zur weiteren Steigerung der Festigkeit der Formteile vorzugsweise mit einem geringen Überschußanteil an boridbildenden Elementen über die für die Bildung der Boride erforderliche stöchiometrische Zusammensetzung hin­aus gearbeitet, wobei dieser Überschußanteil bis zu 1,5 Gew.% betragen kann.
  • Vorzugsweise werden die oben aufgeführten boridbildenden Elemente und/oder Aluminium so zugesetzt, daß sich Boride von 2 Vol.% bis 14 Vol.% in der Schmelze bilden.
  • Die Kupferschmelzen mit den aufgeführten boridbildenden Elementen werden ferner vorzugsweise bei Überhitzung der Schmelze zwischen 5o °C und 15o °C geschmolzen.
  • Neben Schmelzen mit Kupfer können auch solche mit den Me­tallen Silber und Gold verwendet werden, wobei sich im Ver­halten von Gold und Silber in diesen Schmelzen gegenüber Boriden insbesondere des Titans und Zirkoniums überra­schende Übereinstimmungen von Gold und Silber mit Kupfer ergeben.
  • Im in der Fig.1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig.1a der Schmelzvorgang zur Erzeugung der oben er­läuterten Schmelzen schematisch skizziert. Hierbei befindet sich das Schmelzgut in einem mit einer Induktionsspule um­gebenen Tiegel mit Lochstein 2, dessen untere Austrittsöffnung mit einer Stopfenstange 1 verschlossen ist. Beim Schmelzvorgang im oben angegebenen Temperaturbereich reagiert das Bor mit den boridbildenden Elementen in der Schmelze, die an Bor und diesen Elementen übersättigt ist, zu intermediären Ver­bindungen und es kommt zur gewünschten schlagartigen Dis­persoidbildung in der Schmelze.
  • Im in Fig.1b angedeuteten Gießarbeitsschritt ist die Stop­fenstange 1 nach oben angehoben worden, wobei bis zum Ab­senken der Stopfenstange in die Austrittsöffnung hinein eine dosierte Menge an Schmelze in eine als Preßmatrize 3 vorgesehene und unterhalb des Lochsteins angeordnete Gieß­form einläuft. Die Preßmatrize weist in ihrem Boden einen im Ausführungsbeispiel in Form eines Ausstoßstempels ausge­bildeten, in vertikaler Richtung bewegbaren Auswerfer 6 auf, der beim Gießen den Boden der Preßmatrize 3 ver­schließt. Im Ausführungsbeispiel ist die Preßmatrize hohlzylindrisch ausgebildet. Daneben sind jedoch je nach herzustellendem Formteil die unterschiedlichsten Hohlformen denkbar.
  • Im in Fig.1c skizzierten Schritt des Schmelzpressens wird ein Stempel 4 von oben in die mit der Schmelze befüllte Preßmatrize 3 abgesenkt und hierzu mit einem Druck von etwa 5 bar bis 7o bar beaufschlagt, so daß die dispersoidhaltige Schmelze unter Preßdruck zu einem Formteil 5 geformt wird. Das Formteil 5 wird mit in der Schmelztechnik üblichen Maß­nahmen, z.B. mit Unterstützung der an sich raschen Erstar­rung durch Wasserkühlung, zur Erstarrung gebracht und im in Fig.1d angedeuteten Arbeitsschritt nach Abheben des Stem­pels 4 durch Aufwärtsbewegung des Auswerfers 6 aus der Preßmatrize 3 ausgeworfen.
  • Als Material für den Stempel und die Preßmatrize sollten Warmarbeitsstähle und vorzugsweise pulvermetallurgisch her­gestellte Werkstoffe auf der Basis von Molybdän oder Wolf­ram oder Werkstoffe aus Hartmetall verwendet werden.
  • Zur Automatisierung des in Fig.1 skizzierten Fertigungsvor­gangs können die Formen oder Matrizen auch in einem Karus­sell angeordnet werden, das die Formen aufnimmt, um diese schrittweise unter einer vorzugsweise feststehenden Dosier­einrichtung mit Schmelze zu füllen und anschließend unter einer vorzugsweise ebenfalls feststehenden Anordnung mit Stempel zu Formteilen zu verpressen. Die Fig. 2 zeigt in schematischer Weise eine entsprechende Karussellanordnung, die eine feststehende, über dem Karussell angeordnete Chargier­vorrichtung 8 aufweist und auf einer rotierenden Achse 9 drehbar gehaltert ist. Im Karussel sind Formblöcke 1O auf­genommen, in die mit Hilfe der Chargiervorrichtung 8 eine exakt dosierte Schmelzmenge 11 eingefüllt wird, wenn zuvor ein leerer Formblock über die Drehung des Karussells heran­geführt worden ist und sich unterhalb der Chargiervorrich­tung 8 befindet. Diese kann z.B. der in Fig.1 gezeigten Vorrichtung mit Lochstein und Stopfenstange entsprechen.
  • Sobald die genau bemessene Schmelzmenge eingefüllt worden ist, wird der gefüllte Formblock 1O über eine entsprechende Drehung des Karussells unter die ebenfalls feststehende An­ordnung mit Stempel 4 geführt. Der Stempel wird daraufhin wie bei Fig.1c in die Schmelze 11 eingepreßt, wobei diese in den Zwischenraum von Form und Stempel unter Ausbildung eines rasch erstarrenden Hohlkörpers aufsteigt, der nach dem Erstarren und Herausziehen des Stempels 4 als Formteil 5 entnommen wird. Als feststehende, unterhalb des Karussells und der Anordnung mit Stempel vorgesehene Ausstoßvorrich­tung dienen ein Ausstoßstempel 6 und ein darunter angeord­neter Ausstoßnocken 7. Nach Ausstoßen des Formteils wird der nun leere Formblock 1o wieder unter die Chargiervor­richtung geführt und der Fertigungszyklus beginnt erneut. Durch Aufnahme mehrerer Formblöcke im Karussell können somit gleichzeitig zwei Arbeitgänge erfolgen. Es können wahlweise auch mehrere Chargiervorrichtungen, Stempelanordnungen und Ausstoßvorrichtungen jeweils feststehend unter bestimmten Winkelabständen bezüglich des Karussells vorgesehen werden.
  • Als Chargiervorrichtungen eignen sich beispielsweise die in den Fig.3a bis 3c gezeigten Chargiervorrichtungen 8a, 8b, 8c. In Fig.3a ist die einfachste Lösung mit einer in einem Schmelztiegel 2′ geführten und dessen Auslauföffnung wäh­rend des Schmelzvorgangs verschließenden Stopfenstange 1 skizziert. Eine den Tiegel umgebende Induktionsspule 12 er­zeugt die Schmelztemperatur zum Schmelzen des in den Tiegel eingebrachten Schmelzguts.
  • Besser bewährt insbesondere zur Herstellung von Formteilen geringer Abmessungen hat sich das Aufschmelzen genau vor­gebbarer Schmelzgutportionen, wie es in den Fig.3b und 3c skizziert ist. Zur Gewinnung der Schmelzgutportionen werden z.B. durch getrenntes Verdüsen von Kupfer-Titan-Schmelzen bzw. Kupfer-Zirkonium-Schmelzen und Kupfer-Bor-Schmelzen Pulver hergestellt, die anschließend gemischt und zu Preß­lingen des geforderten Gewichts verpreßt werden. Gemäß Fig.3b wird ein solcher Pulverpreßling 13 wie in Fig.3a in einem von einer Induktionsspule 12 umgebenen Tiegel 2′ auf­geschmolzen, wobei die Boranteile mit den Anteilen an Titan und/oder Zirkonium zu der gewünschten Menge an Boriden rea­gieren. Nach dem Aufschmelzen fließt die Schmelze mit der homogenen Boriddispersion durch das Tiegelloch in einen darunter angeordneten Formblock 1O (Fig.2) ab.
  • Beim in Fig.3c skizzierten Schwebeschmelzverfahren mit ei­ner die aus dem Pulverpreßling resultierende Schwebe­schmelze 13′umgebenden Schwebeschmelzspule 12′ fließt die Schwebeschmelze mit den entsprechenden homogenen Boriddi­spersionen nach dem Abschalten des Spulenstroms in den Formblock.
  • Fig. 4 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbei­spiel, bei dem die Schmelze direkt im Formblock 1O bzw. der Preßmatrize erzeugt wird. Dies ermöglicht eine schnelle Herstellung von Formteilen durch direkten Stromdurchgang. Der Formblock 1O aus einem Material mit geringer elektri­scher Leitfähigkeit wird, wie in Fig.4a angedeutet ist, mit einem Pulverpreßling 13, der so hergestellt werden kann wie oben erläutert, chargiert.
  • Ein Ausstoßstempel 6, der im Boden des Formblocks 1O beweg­lich angeordnet ist, dient gleichzeitig als positiver Stromkontakt und ein am verlängerten Ende des Preßstempels 4 angebrachter Stromkontakt 14 ist entsprechend negativ gepolt. Durch den direkten Stromdurchgang über die Stromkontakte 6 und 14 und den Stempel 4 wird der Pulver­preßling 13′ aufgeschmolzen und nach Abschalten des Stroms durch Druck auf den in die Schmelze hineingepreßten Stempel 4 zum schnell erstarrenden Formteil 5 verarbeitet, das mit Hilfe des Ausstoßstempels 6 entnommen werden kann. Es ist hierbei wichtig, daß der Stempel 4 aus einem Material wie z.B. Molybdän oder Wolfram mit einer guten Wärmeleitfähig­keit hergestellt wird. Um den Wärmeabfluß der erstarrenden Schmelze noch weiter zu verbessern, sollte mit Wasser ge­kühlt werden.
  • Die Fig.5 zeigt in schematischer Weise ein weiteres Ausfüh­rungsbeispiel in Form einer Schmelzpressvorrichtung, die speziell zur Herstellung von Rohren ausgelegt ist. Ein Formblock 1O enthält eine zylindrische Ausnehmung zur Auf­nahme von Schmelze 11. Bis zum Boden dieser Ausnehmung er­streckt sich ein durch den Boden des Formblocks 1O geführ­ter beweglicher Ausstoßstift 6′, der über eine angedeutete Feder an seinem aus dem Formblock herausragenden Ende vor­spannbar ist und die Ausnehmung für die Schmelze im Block 1O nach unten abdichtet. Der Stempel umfaßt den in die Schmelze 11 zu pressenden Rundstab 4a, der den Innendurch­ messer des herzustellenden Rohrstücks vorgibt, sowie ein oberes Stempelteil 4b. Dieses weist einen Hohlraum mit ei­ner darin aufgenommenen Spiralfeder und eine unterhalb der Feder vorgesehene Führungsöffnung für den Rundstab 4a auf. Beim Absenken des Stempels in die Schmelze stößt die Unter­seite des Rundstabs 4a gegen den Ausstoßstift 6′, dessen Durchmesser ungefähr gleich dem des Rundstabs 4a ist, und drückt den Stift 6′ gegen die Wirkung dessen Feder etwas nach unten. Die Feder im Stempelteil 4b wird ebenfalls durch den Rundstab 4a zusammengedrückt und die Unterseite des Stempelteils 4b, das den gleichen Durchmesser wie die Blockausnehmung aufweist, legt sich hierbei auf die Ober­fläche der aufsteigenden Schmelze, die somit zwischen den Stempelteilen 4a und 4b und der Formblockausnehmung einge­schlossen ist. Nach Erstarren der Schmelze wird der Stempel nach oben bewegt, wobei der durch seine zusammengedrückte Feder vorgespannte Auswurfstift 6′ sich nach oben bewegt und das in Fig.5B gezeigte fertige Rohrstück 15 auswirft. Die Vorrichtung der Fig.5 eignet sich für die anhand Fig.2 erläuterte automatisierte Fertigung und liefert auf schnelle und einfache Weise einwandfreie Rohrstücke.
  • Neben den erläuterten Vorrichtungen zum Schmelzen und zur Formgebung sind auch jegliche andersartige Ausführungen möglich, sofern diese eine Dosierung der Schmelze bzw. des Schmelzguts sowie die Formgebung unter Preßdruck gewährlei­sten.

Claims (14)

1. Verfahren zum Herstellen von dispersionsverfestigten Kupferformteilen auf dem Schmelzweg,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine mit maximal 3OO °C überhitzte Kupferschmelze her­gestellt wird, die mit Bor und einem oder mehreren borid­bildenden Elementen der Gruppen IVA, VA und VIA des peri­odischen Systems der Elemente und/oder Aluminium derart übersättigt wird, daß sich in der überhitzten Schmelze schlagartig eine homogene, weitgehend stabile Boriddisper­sion bildet, und daß eine vorgegebene Menge dieser borid­haltigen Kupferschmelze entweder in einer Preßmatrize her­gestellt wird oder dosiert in diese eingebracht wird und unmittelbar nach ihrer Herstellung bzw. Einbringung mit Hilfe eines Stempels geformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kupferschmelze an stöchiometrischen Zusätzen von Bor und den boridbildenden Elementen zur Bildung von mehr als 1 Vol.% und bis zu 35 Vol.% in der Kupfermatrix einge­lagerter Boriddispersion übersättigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die boridbildenden Elemente mit einem über die stöchio­metrische Zusammensetzung der in der Schmelze entstehenden Boride hinausgehenden Überschußanteil von bis zu 1,5 Gew.% zugesetzt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß als boridbildende Elemente eines oder mehrere der Ele­mente Aluminium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob und Chrom in der Schmelze verwendet wird bzw. werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kupferschmelze mit 5O °C bis zu 15O °C überhitzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schmelze Bor und eines oder mehrere der Elemente Aluminium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob und Chrom zur Bildung von 2 Vol.% bis zu 17 Vol.% an eingela­gerter Boriddispersion zugesetzt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Formen der dispersoidhaltigen Schmelze ein Preß­druck von 5 bar bis zu 7O bar ausgeübt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zum dosierten Einbringen vorgegebener Mengen der borid­haltigen Schmelze Pulverpreßlinge der angegebenen Zusammen­setzungen und der entsprechenden Masse entweder in einem gelochten Tiegel über der Preßmatrize oder in einer Schwe­beschmelzspule, aus der die Schmelze nach Abschalten des Spulenstroms nach unten in die Preßmatrize fällt, aufge­schmolzen werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Preßmatrize mit einem abgewogenen Pulverpreßling der angegebenen Zusammensetzungen chargiert wird, der durch direkten Stromdurchgang aufgeschmolzen und anschließend durch den Druck des Stempels geformt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Pulverpreßling hergestellt wird, indem verdüste Kupfer-Zirkonium- und/oder Kupfer-Titan-Legierungen mit Kupfer-Bor-Legierungen im zur Übersättigung erforderlichen Verhältnis gemischt werden und die vermischten Pulver verpreßt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1o,
dadurch gekennzeichnet,
daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die folgenden fer­tigen Formteile oder zumindest entsprechende endformnahe Bauteile hergestellt werden: Punktschweißelektrodenkappen, Ventilführungen und Ventilsitzringe für Verbrennungsmoto­ren, elektrische Kontakte, Verschluß- und Bauteile für che­mische Apparaturen, Elemente für Raketen- und Düsenan­triebe, Stranggießkokillen, Vormaterial zur Herstellung von Rohren, Drähte und Profile, Getriebeteile wie Synchronringe sowie Schraubenrohlinge.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Schmelze anstelle von Kupfer Silber oder Gold verwendet werden.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch eine mit der boridhaltigen Schmelze dosiert füllbare oder eine das Schmelzgut zur Herstellung der boridhaltigen Schmelze aufnehmende Preßmatrize (2; 2′; 1O) und einen Stempel (4; 4a ,4b) zum Formen der Schmelze in der Preßmatrize, wobei die Preßmatrize und der Stempel aus Warmarbeitsstahl oder aus vorzugsweise pulvermetallur­gisch hergestellten Werkstoffen auf der Basis von Molybdän oder Wolfram oder aus Hartmetall hergestellt sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere jeweils eine Preßmatrize aufweisende Formblöcke (1O) in einem Karussel angeordnet sind und daß ein oder mehrere feststehende Chargiervorrichtungen (8a; 8b; 8c) zum Einbringen dosierter Schmelzmengen in die Formblöcke ober­halb und ein oder mehrere feststehende Ausstoßvorrichtungen (6, 7) zum Ausstoßen der erstarrten Formteile (5) aus den Formblöcken unterhalb des Karussels an Positionen angeord­net sind, in die die leeren bzw. mit dosierter Schmelzmenge gefüllten Formblöcke (1O) durch Drehung des Karussels auf­einanderfolgend bewegt werden, wobei der oder die Stempel (4) zum Formen der gerade eingebrachten Schmelzmengen vor­zugsweise an der oder den Ausstoßvorrichtungen (6, 7) ent­sprechenden Positionen oberhalb der herangeführten Form­blöcke vorgesehen sind.
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