DE69212555T2

DE69212555T2 - Verfahren zur Herstellung von gesinterten Körpern aus einer Aluminium-Legierung

Info

Publication number: DE69212555T2
Application number: DE69212555T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Iizuka; Yasuo Kamitsuma; Yosihiro Kobayashi; Yusaku Nakagawa; Keiichi Nakamura; Shoichi Nakashima; Hideo Shikata
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Resonac Corp
Priority date: 1991-10-01
Filing date: 1992-09-29
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: KR930008172A; JPH0593205A; EP0535593A1; EP0535593B1; DE69212555D1; US5346667A

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gesinterter Aluminiumlegierungsteile unter Verwendung von Al-Si-Serien-Legierungspulver als Rohmaterial und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung gesinterter Aluminiumlegierungsteile, das ein verbessertes Sinterverfahren enthält.

2. Beschreibung des zugehorigen Standes der Technik

Als Beispiele von Eisenserien-Metallwerkstoffen waren solche wie Gußeisen und gesintertes Eisen als der Werkstoff für solche wie spiralenförmige Dreh- und Standteile bei einem Spiralentyp-Kompressor bekannt. Weiter wurde unter Beispielen von Nichteisenserien-Metallwerkstoffen eine Aluminiumlegierung (beispielsweise Al-Si-Legierung) als ein Leichtgewichtswerkstoff verwendet, und dafür waren Guß- und Formgußverfahren bekannt. Außerdem offenbart JP-A-62-96603 (1987) ein Verfahren zur Herstellung gesinterter Al-Legierungsteile.
JP-A-64-56806 (1989) offenbart eine Herstellung von spiralförmigen Teilen, wobei ein Al-Legierungspulver, das durch rasches Abkühlen erstarrt wurde, was durch ein Gaszerstäubungsverfahren nach dem Schmelzen einer Al-Legierung erhalten wurde, verwendet wird und nach Druckformen, mit anderen Worten Verdichten, des Al-Legierungspulvers die spiralförmigen Teile durch eine Heißextrusion, ein Heißschmieden nach einer Heißextrusion oder ein Heißschmieden hergestellt werden. Das Al-Si-Pulver, bei dem Si dem Al zugesetzt ist, zeigt einen Vorteil der Verringerung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Erzeugnisses, jedoch wird während des Erhitzungsprozesses auf eine hohe Temperatur das Al-Si-Pulver stark oxidiert, was die Verformbarkeit des Erzeugnisses äußerst verschlechtert, so daß eine solche Oxidation vermieden werden muß.
US-A-4 435 213 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung von Aluminiumpulverlegierungserzeugnissen mit verbesserten Festigkeitseigenschaften durch Verdichten und Formen des Legierungspulvers zu einem brauchbaren Gegenstand, das die rasche Erhitzung des verdichteten Teils durch Induktionsheiztechniken umfaßt, welche Erzeugnisse anschließend durch Schmiede-, Extrusions- oder Walzprozesse geformt werden können. Diese Aluminiumlegierung kann aus der Gruppe gewählt werden, die aus (a) Al-Zn-Mg-Legierungen, die 3 - 14 % Zn und 0,5 - 4,5 % Mg mit wahlweisen Gehalten von bis zu 3 % Cu, bis zu 3 % Fe, bis zu 0,5 % Si und bis zu 2 % Zr enthalten, (b) Al-Cu-Legierungen, die 1 - 8 % Cu mit wahlweisen Gehalten von bis zu 5 % Mg, bis zu 5 % Fe, bis zu 2 % Si, bis zu 5 % Mn und bis zu 2 % Zr enthalten, (c) Al-Mg- Legierungen, die 1 - 8 % Mg mit wahlweisen Gehalten von bis zu 2 % Cu, bis zu 3 % Fe, bis zu 2 % Si, bis zu 5 % Mn und bis zu 2 % Zr enthalten, (d) Al-Fe-Legierungen, die 0,5 - 15 % Fe mit wahlweisen Gehalten von bis zu 5 % Mg, bis zu 10 % Cu, bis zu 15 % Si, bis zu 5 % Mn und bis zu 5 % Zr enthalten, (e) Al-Mn-Legierungen, die 0,5 - 15 % Mn mit wahlweisen Gehalten von bis zu 3 % Mg, bis zu 3 % Cu, bis zu 7 % Fe, bis zu 10 % Si und bis zu 3 % Zr enthalten, und (f) Al-Si-Legierungen besteht, die 1 - 30 % Si mit wahlweisen Gehalten von bis zu 5 % Zn, bis zu 5 % Mg, bis zu 5 % Cu, bis zu 5 % Fe, bis zu 10 % Mn und bis zu 2 % Zr enthalten, welche Legierungen (a) - (f) wahlweise noch bis zu 2 % Ce enthalten.
Wie oben erläutert, erschwerte sich, wenn Teile mit einer komplizierten Gestaltung, wie z.B. die spiralförmigen Teile, etwa durch Prozesse des Heißschmiedens und der Extrusion nach Druckformen hergestellt wurden, wobei das Legierungspulver durch Zusetzen eines wirksamen Elements wie Si zu dem durch rasches Abkühlen der Al-Legierung gemäß dem bekannten Verfahren erstarrten Pulver erhalten wurde, die Verformung des Erzeugnisses wegen dessen Versprödung aufgrund der Oxidation bei einer hohen Temperatur, so daß eine lange Herstellungsdauer hierfür benötigt wurde, und außerdem ergaben sich Probleme bezüglich der mechanischen Festigkeit und Zähigkeit des Erzeugnisses, und schließlich ergab sich ein Nachteil, indem das so hergestellte Erzeugnis mit höheren Produktionskosten belastet war.

Überblick über die Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung gesinterter Al-Legierungsteile eines leichten Gewichts, einer ausgezeichneten mechanischen Festigkeit und Zähigkeit, die eine komplizierte Form aufweisen, vorzusehen, wobei ein Hoch-Si-Al-Legierungspulver verwendet wird und ein Herstellungsverfahren eingeführt wird, das einen Hochdichte- Al-Legierungssinterkörper erzeugt.
Das Verfahren zur Herstellung gesinterter Aluminiumlegierungsteile gemäß der vorliegenden Erfindung zur Lösung der obigen Probleme ist, wie im Anspruch 1 beansprucht.
Vorteilhafte weitere Merkmale davon sind in den Ansprüchen 2 bis 4 beansprucht.
Es ist beispielsweise erforderlich, den Abstand zwischen den spiralförmigen Dreh- und Standteilen zu verringern, um die Leistung eines Spiraltypkompressors zu verbessern. Zu diesem Zweck muß die gesinterte Al-Legierung einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizient haben, der mit dem eines Gußeisens, das lange verwendet wurde, vergleichbar ist, und auch ihre Wärmedeformation muß so gering wie möglich begrenzt sein. Wenn nur eine Verringerung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Erzeugnisses benötigt wird, würde es genügen, beispielsweise 1 - 45 Gew.-% Si dem Al-Pulver zuzusetzen, doch ist es, um eine hohe Warmverformbarkeit, eine Aushärtungseignung, eine hohe mechanische Festigkeit und Zähigkeit bei einer hohen Temperatur vorzusehen, erforderlich, Optimalmengen wirksamer Komponenten, wie z.B. Cu, Mn und Fe zuzusetzen.
Und zwar können bei der vorliegenden Erfindung, wenn die Si- Menge unter 1 Gew.-% ist, eine ausreichende mechanische Festigkeit und Verschleiß- sowie Abriebbeständigkeit des erhaltenen Erzeugnisses nicht erhalten werden, und andererseits verringert sich, wenn die Si-Menge 45 Gew.-% übersteigt, dessen Duktilität derart, daß die Si-Menge im Bereich von 1 - 45 Gew.-% (vorzugsweise 12,2 - 25 Gew.-%) bestimmt wird. Um die mechanische Festigkeit des erhaltenen Erzeugnisses zu erhöhen, enthält die Legierung weiter 1 - 5 Gew.-% Cu, 0,1 - 1,0 Gew.-% Fe, 0,1 - 2 Gew.-% Mn, 0,1 - 1 Gew.-% Mg, 0,5 - 5 Gew.-% Zr und 0,5 - 5 Gew.-% Ce.
Weiter wurde gefunden, daß eine Verringerung der mechanischen Festigkeit nach dem Sintern des Al-Legierungspulvers durch Schwächung der Bindekraft zwischen den Teilchen wegen des Verbleibens oxidierter Filme auf den Oberflächen der Pulverteilchen verursacht wird. Dementsprechend wurde, um die Bindekraft zwischen den Teilchen zu steigern, gefunden, daß ein Zusatz von Ce und Zr, die als Desoxidationsbestandteil für das Legierungspulver dienen, wirksam war, und daher werden diese Bestandteile in einer geeigneten Menge zugesetzt.
Nach dem Druckformen des Al-Legierungspulvers wird der geformte Körper mit einem niedrigen Druck gepreßt, und es wird ein elektrischer Strom hindurchgeleitet, um eine Plasmaentladung zwischen den gepreßten Pulverteilchen zu erzeugen, um so die oxidierten Filme zu beseitigen. Hierbei wird die optimalste Plasmaentladung bei einer Plasmaspannung von 2 - 10 V und einem Plasmastrom von 1000 - 6500 A erzeugt, und der auf den geformten Körper einwirkende Druck wird justiert, während die Entladung des adsorbierten Gases auf den Teilchenoberflächen bewirkt wird. Die Plasmaentladung der vorliegenden Erfindung wird in der Atmosphäre durchgeführt.
Nach Abschluß der Gasentladung wird der geformte Körper weiter gepreßt, um einen gesinterten Körper zu erzeugen, in dem die Teilchen fest gebunden sind. Um einen gesinterten Körper mit einer hohen Dichte zu erhalten, werden der auf den geformten Körper einwirkende Druck und die gesamte Sinterzeit in den Bereichen von 500 - 3000 N/cm² (50 - 300 kgf/cm²) bzw. 5 - 20 min gewählt.
Das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte gesinterte Legierungsprodukt hat eine hohe Dichte sowie eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und Zähigkeit, und das Herstellungsverfahren eignet sich zum Herstellen von Teilen leichten Gewichts und geringer Abmessung und mit einer komplizierten Gestaltung, z.B. von spiralförmigen Teilen für einen Spiraltypkompressor.
Kurze Erläuterung der Zeichnungen
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm der Herstellungsprozesse eines spiralförmigen Teils eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Plasmasinterprozeßdauer und dem Dichteverhältnis des obigen Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem während des Sinterns einwirkenden Druck und dem Dichteverhältnis des obigen Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 4 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Plasmastrom und dem Dichteverhältnis des obigen Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Plasmaspannung und dem Dichteverhältnis des obigen Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Plasmasinterprozeßdauer und der Zugfestigkeit des obigen Ausführungsbeispiels zeigt; und
Fig. 7 ist ein schematisches Diagramm der Herstellungsprozesse eines spiralförmigen Teils eines anderen Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung und deren Versuchsergebnisse anhand der Fig. 1 - Fig. 7 erläutert.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der Herstellungsprozesse eines spiralförmigen Teils eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 ist 1 ein Verdichtungsprozeß, 2 ist ein verdichteter Körper, 3 ist ein Plasmasinterprozeß, und 4 ist ein gesinterter Körper.
Es wurde ein Al-Legierungspulver mit einer Zusammensetzung von 25 Gew.-% Si, 3,5 Gew.-% Cu, 0,5 Gew.-% Mg, 0,5 Gew.-% Fe, 0,5 Gew.-% Mn, 1,0 Gew.-% Zr, 2,0 Gew.-% Ce und Rest Al verwendet, das Al-Legierungspulver wurde geschmolzen und danach luftzerstäubt, wobei der Durchmesser der Teilchen auf unter 500 µm gesteuert wurde.
Zunächst wurde beim Verdichtungsprozeß das Al-Legierungspulver verdichtet, indem man Gebrauch von einer Graphitform machte, um den verdichteten Körper 2 herzustellen, und der verdichtete Körper 2 wurde in einer Graphitform mit der gleichen Gestaltung wie der des spiralförmigen Teils angeordnet und bis zu einem einwirkenden Druck von 2000 N/cm² (200 kgf/cm²) gepreßt, wobei darin eine Plasmaentladung bei einem Plasmastrom von 5000 A und einer Plasmaspannung von 5 V erzeugt wurde, um den gesinterten Körper 4 zu erhalten. Der erhaltene gesinterte Körper hatte 85 mm Durchmesser x 40 mm Dicke in einer Spiralform.
Fig. 2 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Plasmasinterprozeßdauer und dem Dichteverhältnis des im obigen Verfahren erhaltenen Körpers zeigt. Man ersieht aus dem Diagramm, daß die optimale Haltezeit 12 min ist und, wenn die Haltezeit mehr als 5 min ist, bereits ein Dichteverhältnis von 90 % erhalten wird.
Fig. 3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem während des Sinters einwirkenden Druck und dem Dichteverhältnis des erhaltenen Körpers zeigt. Wenn die Plasmasinterprozeßdauer von 12 min, der Plasmastrom von 5000 A und die Plasmaspannung von 5 V gewählt werden, wird ein Dichteverhältnis von mehr als 90 % bei dem einwirkenden Druck von 1000 N/cm (100 kgf/cm ) erhalten, und der optimal einwirkende Druck unter der gleichen Bedingung ist 2000 N/m² (200 kgf/cm²)
Fig. 4 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Plasmastrom und dem Dichteverhältnis des erhaltenen Körpers zeigt. Wenn die Plasmasinterprozeßdauer 12 min ist und eine Plasmaspannung von 5 V sowie der einwirkende Druck von 2000 N/cm (200 kgf/cm²) gewählt werden, ist der optimale Plasmastrom 5000 A, und ein Dichteverhältnis von mehr als 90 % wird durch einen Plasmastrom von mehr als 1500 A erhalten.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Plasmaspannung und dem Dichteverhältnis des erhaltenen Körpers zeigt. Wenn die Plasmasinterprozeßdauer 12 min ist und der Plasmastrom von 5000 A sowie der einwirkende Druck von 2000 N/cm² (200 kgf/cm²) beibehalten werden, ist die optimale Plasmaspannung 5 V, und ein Dichteverhältnis von mehr als 90 % kann durch eine Plasmaspannung von mehr als 3 V erhalten werden.
Fig. 6 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Plasmasinterprozeßdauer und der Zugfestigkeit des erhaltenen Körpers zeigt. Wenn der Plasmastrom von 5000 A, die Plasmaspannung von 5 V und der einwirkende Druck von 2000 N/cm² (200 kgf/cm²) beibehalten werden, wird die Zugfestigkeit von 160 N/mm (16 kg/mm²) bei der Plasmasinterprozeßdauer von 5 min erhalten, und eine ausreichende Zugfestigkeit von 400 N/mm² (40 kg/mm ) wird bei der optimalen Plasmasinterprozeßdauer von 12 min erhalten. Es wurde auf Basis einer Mikrogefügephotographie (von deren Abbildung abgesehen wurde) des erhaltenen Körpers bestätigt, daß die Grenzfläche zwischen den Pulverteilchen unter Beibehaltung einer ausreichenden mechanischen Festigkeit eng gebunden war.
Fig. 7 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens eines spiralförmigen Teils eines anderen Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 7 zeigt 5 einen Warm-Kalt-Schmiedeprozeß, und 6 ist ein geschmiedeter Körper. Die anderen Bezugsziffern zeigen die gleichen Prozeßschritte und Elemente wie in Fig. 1. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde der gesinterte Körper 4 in Form einer flachen Platte, die durch den Verdichtungsprozeß 1 und den Plasmasinterprozeß 3 hergestellt wurde, dem Warm- oder Kaltschmiedeprozeß 5 unterworfen, um den geschmiedeten Körper 6 des spiralförmigen Teils zu erzeugen. Durch das vorliegende Verfahren wird der gesinterte Körper einer plastischen Verformung ausgesetzt, um darin innere Fehler verschwinden zu lassen und die mechanische Festigkeit weiter zu verbessern.
In den obigen Ausführungsbeispielen wird die Herstellung von spiralförmigen Teilen erläutert, doch ist die-vorliegende Erfindung natürlich auch auf Al-Legierungssinterteile mit anderen komplizierten Formen anwendbar.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Teile mit komplizierten Gestaltungen aus einer gesinterten Al-Si-Serienlegierung mit leichtem Gewicht, ausgezeichneter mechanischer Festigkeit und Zähigkeit leicht erhalten, und, da das Plasmasinterverfahren angewendet wird, entfällt derartiges wie eine Vakuumanlage, ihre Herstellungskosten werden wegen der verringerten Anlagekosten verringert, und die Produktionswirksamkeit wird verbessert, da der geformte Körper in einer kurzen Zeitdauer gesintert werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung gesinterter Aluminlumleglerungsteile, das die Schritte aufweist:

Druckformen eines Al-Legierungspulvers, das aus 1 -45 Gew.% Si, 0,5 - 5 Gew.% Ge, 0,5 - 5 Gew.% Zr, 1 - 5 Gew.% Gu, 0,1 - 1 Gew.% Fe, 0,1 - 2 Gew.% Mn, 0,1 - 1 Gew.% Mg und Rest Al und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht und durch rasches Abkühlen erstarrt wurde; und

danach Sintern des druckgeformten Legierungspulvers durch Erhitzen mittels Durchleitens eines elektrischen Stroms in einer Form einer Plasmaentladung unter Druckeinwirkung darauf.

2. Verfahren zur Herstellung gesinterter Aluminiumlegierungsteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Al-Legierungspulver aus 25 Gew.% Si, 2,0 Gew4% Ce, 1,0 Gew.% Zr, 3,5 Gew.% Cu, 0,5 Gew.% Mg, 0,5 Gew.% Fe, 0,5 Gew.% Mn und Rest Al und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.

3. Verfahren zur Herstellung gesinterter Aluminiumlegierungsteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem den Schritt aufweist:

Schmieden des gesinterten Körpers durch Warmschmieden oder Kaltschmieden zum Erhalten eines geschmiedeten Körpers komplizierter Gestaltung.

4. Verfahren zur Herstellung gesinterter Aluminiumlegierungsteile nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterbedingungen mit der Plasmaentladung eine Plasmaspannung von 2 - 10 V, ein Flasmastrom von 1000 bis 6500 A, ein Sinterdruck von 500 - 3000 N/cm² (50 - 300 kgf/cm² ) und eine Sinterdauer von 5 - 20 Minuten sind.