DE1583737A1

DE1583737A1 - Hohlgegenstaende und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE1583737A1
Application number: DE19671583737
Authority: DE
Inventors: Levinstein Moses Aaron; Butts William Robert
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-01-03
Filing date: 1967-09-26
Publication date: 1970-12-10
Also published as: GB1189697A; BE704513A; US3466166A

Description

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Or. Gertrud Homer μ·· mi.··.·. ·ο. 19. Sep. 1967 Dle)l.-Iii«. Gottfried leiser in.·*.,,«.!™·.. i>

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General Electric Company, Scheneotady, New York/V.St.A. Hohlgegenstände und Verfahren zu deren Herstellung

Die Erfindung betrifft Hohlgegenstände, wie Rohre, Hohlkugeln, aus hohlen Teilchen bestehende Pulver (hollow powders) sowie Hohldrähte. Insbesondere bezieht sioh die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von aus hohlen Tel lohen bestehenden Pulvern sowie von hohlen Metalldrähten aus einer Metallegierung, die wenigstens eines der Elemente Aluoiniun oder Magnesium enthält. Außerdeo fallen in den Rahme» der vorliegenden Erfindung die naoh diesem Verfahren hergestellten Gegenstände.

Einige der bekannten Methoden zur Herstellung von kleinen hohlen Gegenständen, wie beispielsweise von Hohlkugeln, kleinen Rohren oder dergl., setzen sich aus entweder relativ komplizierten und

Dr.S f^v/zb zahlreichen

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zahlreichen Herstellungeetufen zusammen oder liefern keine einheitlichen Produkte. Ein derartiges Verfahren zur Herstellung von Hohlkugeln wird in der US-Patentschrift 3 135 044 beschrieben. Diese Patentschrift hat ein Verfahren zum Inhalt, das aus der Überziehung einer Kugel, beispielsweise aus Aluminium, mit einem anderen Metall, beispielsweise Nickel, besteht. Anschließend wird ein Teil des Kugelkernmaterials freigelegt, um das Kernmaterial zur Schaffung eines hohlen Inneren zu entfernen. Die Entfernung des Kerns kann daduroh durchgeführt werden, dafr eine Auflösung mit einem alkalischen Material durchgeführt wird oder die Kugel auf eine Temperatur erhitzt wird, welche dazu ausreicht, den Kern zu schmelzen und aus dem freigelegten Teil, beispielsweise einem Loch, ausfließen zu lassen. Zur Herstellung von aus hohlen Teilchen bestehenden Pulvern, insbesondere von Teilchen, die durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,15 mm (100 mesh) hindurchgehen, sind die bekannten Methoden ungeeignet.

Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung liegt in der Schaffung eines verbesserten Verfahrens, das sioh zur Herstellung sehr kleiner Hohlgegeaetände eignet und sich relativ weniger, einfacher und leicht zu steuernder Herstellungsstufen bedient. Insbesondere fällt in den Rahmen der Erfindung die Schaffung einer verbesserten Methode zur Herstellung von aus hohlen Teilchen bestehenden Metallpulvern sowie von feinen Hohldrähten und Rohren und von Sieben, die aus derartigen Hohldrähten bestehen.

009850/0498 Die

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DIe vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen sowie der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Figur 1 iat ein vergrößerter Querschnitt eines zusammengesetzten Pulvergegenstandes vor der erfindungsgemäßen Verarbeitung.

Figur 2 stellt einen vergrößerten Querschnitt eines hohlen Pulverteilchens dar, das aus dem Teilchen, welches durch Fig. 1 wiedergegeben wird, nach einer derartigen Verarbeitung anfällt.

Figur 3 ist ein vergrößerter Querschnitt eines zusammengesetzt Drahtes vor der Verarbeitung, während

Figur 4 einen vergrößerten Querschnitt eines Hohldrahtes gemäß Fig. 2 naoh einer derartigen Verarbeitung wiedergibt.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von Hohlgegenständen geschaffen, das aus folgenden Stufen besteht:

Zunächst wird eine zusammengesetzte Struktur hergestellt, welche in ihrer Form dem Hohlgegenstand entspricht. Die zusammengesetzte Struktur besteht aus einem Kern aus einem ersten Material, das mit einer Schale aus einem zweiten Material überzogen ist. Charakteristisch dabei ist, daß die Diffusionsgeschwindigkeit des Kernraaterials in das Schalenmaterial gegenüber der Diffusionsgeschwin-

009850/0498 digkelt

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digkeit des Schalenmaterials in das Kernmaterial groß ist, so daß das Kernraaterial vorzugsweise in das Schalenmaterial diffundiert, wobei das Schalenmaterial einen Schmelzpunkt besitzt, der größer als derjenige des Kernmaterials ist. Die zusammengesetzte Struktur wird auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Kernmaterials, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Selialenmaterials während einer solchen Zeitspanne erhitzt, die dazu ausreicht, daß das Kernmaterial in das Schalenmaterial diffundieren kann, wobei derartige Druckbecingun,s<=n eincehalten werden, daß kein Zusammenbrechen des Schalenmaterials erfolgt und ein Hohlgegenstand gebildet wird.

Sollen beispielsweise Siebe oder Maschen hergestellt werden, dann kann die überzogene Struktur, beispielsweise ein Draht, zu der letztlich gewünschten Form verformt werden. Beispielsweise kann ein überzogener Draht verwoben, gebogen oder auf andere Weise verformt werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß durch Verformen des Kernmateriala, beispielsweise eines Drahtes, zu Sieben oder Masohen und anschließende Überziehung der Siebe oder Maschen mit dem Schalenmaterial Siebe oder Maßchen aus hohlen Teilen hergestellt werden können.

Die auf diese Weise hergestellte zusammengesetzte Struktur wird auf eine Temperatur erhitzt, die ausreichend hoch ist, um die Diffusion des Kernmaterials in das Schalenmaterial in einer ver-

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streitbaren

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tretbaren Zeit zu bewirken* Die Temperatur reicht Jedoch nicht dazu aus, die Schale zu schmelzen. Auf diese Welse wird ein Hohlgegenstand gebildet, der die Form der Schale besitzt, vorausgesetzt, daß kein Druck auf den Gegenstand ausgeübt wird, der dazu ausreicht, ein Zusammenbrechen der Schale zu bewirken.

Befindet sich das vorstehend beschriebene Kernmaterial in einem geformten Zustand, beispielsweise in Form eines Drahtes, Stabes oder Rohres, oder in einer unregelmäßigen Form.oder in Form von Hohlkugeln, dann kann ein Metallüberzug, beispielsweise aus Eisen, Nickel, Kupfer, Kobalt, Silber oder dgl., in einfacher' Weise nach bekannten und vielfach beschriebenen Elektro- oder Dampfablagerungsverfahren aufgebracht werden. Die Herstellung von feinen Pulvern, die mit einem Metall überzogen sind und manchmal als zusammengesetzte Pulver bezeichnet werden, ist ebenfalls bekannt und wird in der Literatur häufig beschrieben. Beispielsweise seien die US-Patentschriften 2 853 398, 2 853 401 und insbesondere 2 853 403 erwähnt. Ferner sei auf die Arbeit von J.A. Lund, T. Krantz und V.N. Mackiw "The Sintering and Alloying Behavior of Nickel Coated Metal Powders" in "Progress in Powder Metallurgy", No. l6, Metal Powder Industries Federation, New York, N.Y. sowie auf die Veröffentlichung von B. Meddings, W. Kunda und V.N. Mackiw "The Preparation of Nickel-Coated Powders" in "Power Metallurgy", Interscience Publishers, New York, N.Y. (1961) hingewiesen. Eine Form eines nickelüberzogenen Alumi-

009850/0498 niumpulvers,

nluopulvers* das zum Flammsprühen geeignet ist, wird gegenwärtig von der Sherritt-Gordon Mines Ltd., Fort Saskatchewan, Alberta, Canada und von der Metoo Inc., Westbury, L.I., N.Y. unter dem Warenzeichen HETCO 4o4-Pulver angeboten.

Gewöhnlich werden diese Pulver im Hinblick auf die Herstellung von Legierungen durch Flammsprühen, wobei relativ hohe Schlagkräfte auf die Teilohen auftreten, oder auf Pulvermetallurgieverfabran, b?i denen relativ hohe Druckkräfte ausgeübt werden, «u*Twiekeit und verkauft.

Es würde in unerwarteter Weise festgestellt, daß, falls bestimmte zusammengesetzte Pulver, beispielsweise die in Figur 1 dargestellten, die einen Kern 10 aus Aluminium und eine Überzugesehale 12 aus Nickel besitzen, erhitzt werden, ohne daß dabei ein Druck einwirkt, der ein Zusammenbrechen verursacht, wobei die Temperatur in ausreichendem Maße höher als der Schmelzpunkt von Aluminium ist,damit eine ausreichend schnelle Diffusion des Aluminiums in die Nibkelschale erfolgen kann, eine Reaktion erfolgt, bei weloher das durch Fig. 2 wiedergegebene hohle Teilchen eines Pulvers in expandiertem Zustand erhalten wird, das eine kontinuierliche Schale 14 aus einer legierung aus Nickel und Aluminium, wahrscheinlich NickelalUBinld, besitzt. Es wurde jedoch festgestellt, daß eine besondere Beziehung zwischen der Aluminiummenge in dem Kern und der Nickelmenge in der Schale besteht- Ein Minimum von

009850/0498 ungefähr

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ungeflhr 70 Q«w.-£ dee 8ohalenmaterials, wie beispielsweise Mioktlf let erforderlich, da unterhalb dieser Menge ein Zusammenbreehea der Sohale erfolgt· Bei mehr als ungefähr 95 Gew.-% Nickel wird eis tu kleiner Hohlraum erzeugt.

Bei einer Reihe von Bestimmungen, welche in den Beispielen näher erlKutert werden, wurde festgestellt, daß, falls die herzustellenden Hohlgegenetttnde im wesentlichen kugelförmige Teilchen eines Pulvere sind, die Erhitzungßgeaohwindigkeiten bis zu der Verarbeituneeten^eratur nioht besondere kritisch sind« da Kugeln eine besondere Strukturfeatigkeit besitzen. Beispielsweise liegt e *e derartige Verarfceitungetemperatur im Falle eines mit Nickel überzogenen Aluminiurapulvers zwischen ungefähr 871 und 1204⁰C (I6OO und 2200⁰F). Werde» Jedoch unregelmäßige Kerne oder längliche Forme», wie beispielsweise der Draht gemäß Figur 3» der mit einer Sohale l8 Überzogen ist, verarbeitet, dann muß das Erhitzen der zusammengesetzten Struktur bis zu der Verarbeitungstemperatur in ausreichendem Maße langsam erfolgen. Dies, ist deshalb notwendig, um die Diffusionagesohwindigkeit derartig zu steuern, daß jede Ausdehnung der'zusammengesetzten Struktur während der Umsetzung •owie die Legierungsbildung der Elemente nicht die We.nd der Schale zerbrioht. Ein Bruch der Schale hat eine defekte Struktur zur Folge, die für bestimmte Anwendungsgebiete ungeeignet ist.

01« folgerndem Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie zu

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Beispiel 1

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Beispiel 1

Ia diesem Beispiel wird ein mit Nickel überzogenes Aluminiumpulver verwendet, u.zw. daa weiter oben als METGO 404-Pulvcr identifizierte Pulver. Diesen Material besteht aus ungefähr 17 bis 20 üow.-# Aluminium als Kern, wobei der Best aus Nickel als Sehale besteht. Weniger ala 1 Gew.-# Verunreinigungen sind vorhanden. Die TeilchengrWßenverteilung ist wie folgt:

Tabelle I

Oew.-Ji	max.
1	max.
IO	rain.
35	max.
2 f-

ASTM-Slebgp«ße

zurückgehalten auf einem I^o-Maschen-Sieb zurückgehalten auf einem 170-Maaohon-Sieb zurückgehalten auf einom 270~Maschen-Sieb Durchgang durch oiß £70-Ma«chen-Sieb

Eine Mikroaufnahme den vorstehend beschriebenen nichtverarbnitoten fcusararaongoactr.ten Pulvere, dne in Pig. 3 wiedergegeben wird, zeigt, daß ein im weeoulliehen kugelfUrir.iger fenter Kern 10 von einer relativ gleichmäßigen Schale 12 bedeckt ißt. Dieses Pulver wird in Luft 2 Stunden lang auf 1O66°C (1950⁰F) erhitzt, worauf es erneut auf metallographisehern Wege beobachtet wii^ld. Dabei stellt ■ich heraue, daß d<r feate Aluminiumkern in die Schale diffundiert l«t, wobei eich leicht expandierte hohle Teilchen eines Pulvers gebildet haben, wie sie durch Fig. 2 wiodrjrgecoben worden. Die gleiche Wärmebehandlung bei 1O66°C (1950⁰F) während einer Zeitspanne

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yon

BAD

_ CJ _

voft 2 Stunden wird mit Kelteren Proben mit einer Wasserstoffatmosphäre wiederholt, wobei die gleichen Ergebnisse erzielt werden. Die in Beispiel 1 beschriebene Arbeitswelse wird mit einer Reihe zusammengesetzter Pulver wiederholt, die einen Aluminiumkern und eine Nickelschale besitzen, wobei die in der folgenden Tabelle II angegebenen Mengenverhältnisse vorliegen. Die Pulver werden 1 Stunde lang bei ungefähr 1093°C (2000⁰F) in Wasserstoff erhitzt.

Tabelle II

	Zusammengesetztes Pulver	Gewichts-^	*
		Al
Beisp.	Ni	10	3 cha1enzus tand
2	90	25	unversehrt
	75		unversehrt
4	67	zusammengebrochen

Aus der vorstehenden Tabelle II 1st zu ersehen, daß diejenigen zusammengesetzten Pulver, deren Schale weniger als ungefähr 70 Gew.-bezogen auf die Pulverteilchen, Nickel enthalten, defekte PuLver aus hohlen Teilchen ergeben.

Zur Untersuchung von Kernen, die andero Formen ala die kugelförmige Form der Pulverteilchen besitzen, wird eine Reihe von Aluninlunidränten, wie sie durch das Bezugaz-ilohnn 16 in Pig. 5 wiedergegeben v/erden, mit einem Nickolilbcrzug l8 elektroplattiert. In der nach-

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folgenden

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folgenden Tub·lit ZII β Ina rtprlaentAtive Teatergebnlsse dtr untersuchten Draht· cuMuaneagefaßt.

Tabelle III Zusaaoengeaetzte Drähte

Beisp. Aluoiniumdraht-Duroh- Dicke des Nickelüberzuga «easer (/χ) (αχ)

5 579 127

6 635 190

7 1015 254

Bereohneb auf &ewiehts-J<-Baaie, macht das Aluminium im wesentlichen 20 bim 27 % au·, währ©ad der Rest aus Nickel besteht. Wie vor» t eh β ad erwlfent hat Höh herausgestellt, daß Strukturen, wie beispielsweise DrXhte, nicht die Strukturfestigkeit einer Kugel besitzen. Daher sollte das Erhitzen derartiger Strukturen langsamer erfolgen, um eine Ausdehnung infolge der Diffusion des Korns In die Sohale und damit ein Brechen der Schale zu vermeiden. Daher werden die Drähte gemäß den Beispielen 5, έ und u&ter einer Argonatnosphäre zuerst von Zimmertenperatur auf unfefKhr 649⁰C (1200⁰P) wlhrend einer Zeitspanne von 1 Stunde und aösohUeßand auf 106$ bis 1093⁰C (1950 bis 200O⁰P) während einer Zeitspanne von 1 Stunde erhitzt. Die Drähte werden anschließend unter Argon 1/2 Stunde lang auf ungefähr 1093⁰C [200O⁰F) gehalten.

009 8 50/0498 worauf

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worauf ti· wMhrend einer Zeitapanne von ungefÄhr 1 Stunde auf Zimmertemperatur abgekühlt worden« Eine weitere photomikrographieohe Untoreuohung des Produkte dieser Diffusion zeigt, daß un versehrte Hohldrähte, wie aie duroh Flg. 4 wiedergegeben werden, erhalten werden, welche wahreoheiniloh aus einer Legierung 20 aüb Aluminium und Nickel beeteheu.

Beispiel 8

Typisch für eine Anwendung deo erfindungagemUßen Verfahrens zur Herstellung von Hohlgegenatänden int die Herßtellung eines Mai Uendrahtes aus hohlen gewebten Drähten. In einem Beispiel wird ein aus 120 χ 120 Maschen bestehender Draht aus einem zu 99 % reinen Alumini umdreht mit einer Woko von 101 μ (H mils) hergestellt, welcher eine Köperbindung beait.s t .

Pi'obeötUcke mit Abmessungen von '/6 χ ¹O mm (3 χ 2 inches) werden ausgeschnitten und anßchlicßcnd mit Nickel in einer Stärke von ungefiihr 38 ,u (1,3 mils) unter Anwendung einer Standard-Niokel-Elektroplattierungemothode elektroplattiert.· Während der Elektroplattlerung werden Klammern, welohe zum Halten der Maschenproben verwendet werden, von Zeit zu Zeit entfernt, so daß die ganze Probe mit .Nickel überzogen ist. Nach dem Beschichten mit Nickel werden die Proben in einen Ofen mit einer Wasserstoffatmosphäre gegeben, in welchem die Temperatur von Zimmertemperatur auf ungefähr 1093° C (2000° P) während einer Zeitspanne zwischen 1 uad

C 0 9 S ^:: C C - ^c; * 1,5 Std.

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1,5 SW· erhöht wird. Anschließend werden die Proben in Wasserstoff ungefähr 1/2 Stunde bei einer Temperatur von 109j5°C (200O⁰P) gehalten, anschließend in Vaeserstoff abgekühlt und aus dem Ofen entfernt.

Eine photoraikrographisehe Untersuchung des Maschengewebes zeigt, daß der ursprüngliche Aluminiuramaschendraht in das Nickel eindiffundiert ist, so daß ein Maschengewebe aus Hohldrähten, das au3 einer Legierung aus Nickel und Aluminium becteht, erhalten w.^d. Da die erfindungsgeraäßen Hohlgeßcnstlinde-während der Verarbeitung leicht ausgedehnt werden, stellt sich heraus, daß der üeeamtdurchmesser des Drahtes auf I78 bis 2Oj5/U (7 bis 8 rails) angestiegen ist, wobei der Innendurchmesser des Hohldrahtes zwischen ""' vnd 102 u (3 bie 4 mils) liegt. Anhand der Herstellung von höhlt,L 'hten und hohlen Maschengeweben ist zu ersehen, daß die vorliegen* · Erfindung in einfacher Weise zur Herstellung komplizierter hohler geformter Gegenstände verwendet werden kann.

00S65G/0A98 Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Hohlgegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusammengesetzte Struktur, die in ihrer Form dem Hohlgegenstand entspricht, hergestellt wird, wobei die zusammengesetzte Struktur aus einem Kern eines ersten Materials, das mit einer Schale aus einem zweiten Material überzogen ist, besteht und die Diffusionsgeschwindigkeit des Kernmaterials in das Schalenmaterial bezüglich der Diffusionsgeschwindigkeit des Sohalenmaterials in das Kernmaterial groß ist, so daß das Kernmaterial vorzugsweise in das Sohalenmaterial diffundiert, und das Sohalenmaterial einen Schmelzpunkt besitzt, der höher als derjenige des Kernmaterial* ist, und die zusammengesetzte Struktur auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Kernmaterials, Jedoch unterhalb des Schmelzpunkts des Schalenmaterials, während einer solchen Zeitspanne erhitzt wird, die dazu ausreicht, daß das Kernmaterial in das Schalenmaterial unter derartigen Druckbedingungen eicdiffundieren kann, die nicht dazu ausreichen, daß die Schale, welche den Hohlgegenstand bildet, zusammenbricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material im wesentlichen aus 5 bis 30 Ggw.«^ Al, Mg, Zn, Cd oder Sn oder Legierungen aus diesen Elementen und das zweite

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Material

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Material im wesentlichen aus 70 bis 95 Gew.-^ Fe, Nl, Co, Cu oder Ag oder Legierungen aus diesen Elementen besteht und die zusammengesetzte Struktur zur Diffusion des ersten Materials in das zweite Material auf eine Temperatur zwischen 871 und 1204°C (16OO bis 2200⁰P) erhitzt wird.

3« Verfahren naoh den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material aus Aluminium und das zweite Material au» Nickel beatehb.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Hereteilung von hohlen Pulverteilohen die Ättsaemengeeetzt· Struktur aus im wesentlichen kugelförmigen Pulverteilchen beetekt.

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