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Verfahren zur Herstellung von mehrgliedrigen Formkörpern in einem kombiniert pulvermetallurgischen und Einseigerungsverfahren
Die Erfindung betrifft ein kombiniert pulvermetallurgisches und Einseigerungsverfahren zur Herstellung von Formkörpern verhältnismässig komplizierter Gestalt, die aus einem eisenhaltigen
Skelettkörper und aus einem kupferhaltigen
Infiltrat bestehen. Der erstere kann Eisen,
Stahl oder Legierungsstahl sein, der letztere
Kupfer oder eine Kupferlegierung.
Die Anmelderin hat schon früher vorgeschlagen, einfach geformte Verbundkörper dadurch her- zustellen, dass ein poröser Skelettkörper aus Eisen, oder Eisen mit zugemischtem Kohlenstoff, oder
Eisen mit Kohlenstoff und Legierungsbestand- teilen von Legierungsstahl, durch Pressen her- gestellt und hierauf mit Kupfer oder einer Kupfer- legierung eingeseigert wird.
Eine geeignete Kupferlegierung enthält zweck- mässig bis zu etwa 5% Eisen und bis zu etwa
5% Mangan und manchmal andere Legierungs- bestandteile in Mengen von einem Bruchteil eines Prozentes bis zu mehreren Prozenten, wie
Nickel, Chrom, Silizium, Phosphor und'oder
Titan. Es ist oft erwünscht, den Pressling für eine kurze Zeit bei etwa 900-1100'C in einer trockenen reduzierenden oder sonstigen Schutz- atmosphäre vorzusintem, um den Zusammenhang des porösen Presslings zu erhöhen oder seine anfänglich grössere Porosität zu der gewünschten zu verringern.
Es ist derart möglich, gebrauchs- fertige Formkörper bestimmter Abmessungen innerhalb enger Toleranzen zu fertigen, die grosse
Festigkeit und andere erwünschte physikalische
Eigenschaften besitzen, eine glatte Oberfläche aufweisen und mit anderen Körpern verschweisst oder plattiert werden können.
Der poröse eiserne Skelettkörper wird mit
Kupfer oder einer Kupferlegierung infiltriert.
Eine zweckmässige Legierung enthält etwa 3-5%
Eisen und bis zu ungefähr 5% Mangan, welch letzteres bewirkt, dass ein, an der Fläche, durch welche die Infiltrierung besorgt wurde, haften- gebliebener Überschuss leicht abgehoben werden kann. Andere Legierungsbestandteile können, wie früher erwähnt, dem Kupfer zugegeben werden.
Ein besonderes geeignetes Verfahren besteht in der Verwendung einer vorgepressten pulverigen
Mischung des Infiltrates, bestehend aus etwa 90% Kupfer, bis zu etwa 5% Eisen, bis zu etwa 5% Mangan und gegebenenfalls anderen Legierungsbestandteilen in früher erwähnten Mengen. Reduziertes Kupferpulver wird vorgezogen. Das Manganpulver wird vorzugsweise durch Zerkleinern erschmolzenen Mangans erhalten. Das Eisen wird vorzugsweise aus Carbonylen gewonnen. Elektrolytische Metallpulver sind weniger geeignet, da sie Wasserstoff und andere Gase während des Schmelzens entwickeln und Elektrolytreste korrodierend wirken. Die Pulvermischung soll sehr fein sein, z.
B. ist Kupferpulver einer Korngrösse kleiner als 280 Mikron, reines Mangan gemahlen in einer
Kugelmühle zu gleicher Korngrösse, und Carbonyl-
Eisenpulver einer Korngrösse von höchstens
40 Mikron am besten geeignet.
Die pulverige Mischung der Bestandteile der finzuseigemden Kupferlegierung (für welche das
Eisen und Mangan zumindest zum Teil aus zugemischtem Ferromangan erhalten werden kann) kann auch zu pastillenartigen Formkörpern vorgepresst werden, welche in die zylindrische
Bohrung passen ; es können auch zwei oder mehrere Pastillen in die Bohrung eingesetzt werden. Das vorgepresst Infiltrat (Pastille) kann auch gesintert oder sonst wie in der Hitze behandelt werden, so dass eine Legierung durch
Diffussion erhalten wird. Ein Sintern wird vorzugsweise nahe der Schmelztemperatur der
Kupferlegierung von etwa 1150 bis 11800 C durchgeführt.
Die vorerwähnte Legierung von 90% Kupfer, 50 n Eisen und 5% Mangan wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 1075 bis
1095 C gesintert.
Die gepresste und dadurch dosierte Pulver- mischung kann auch in einer Form erschmolzen werden, wodurch grösste Homogenität der
Legierung erhalten wird. Sintern oder Schmelzen wird vorzugsweise unter einer reduzierenden oder sonstigen Schutzatmosphäre durchgeführt.
Der eisenhaltige Skelettkörper, der durch
Pressen allein, oder durch Pressen und Vorsintern erhalten ist, bestimmt die endgültige Gestalt und
Abmessungen des eingeseigerten Korpers.
Während einfache Formen, z. B. von Scheiben,
Zylindern Zahnrädern, Kammscheiben usw., keine Schwierigkeiten beim Pressen bereiten, ist es wirtschaftlich meistens unmöglich, komplizierte
Formen zu presseu. Geteilte Formen, die zu
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diesem Zweck erforderlich sind, sind teuer und nutzen sich rasch ab.
Gemäss der Erfindung wird die Herstellung komplizierter Formen, welche sonst die Anwendung mehrteiliger Formen erfordern würden, dadurch wirtschaftlich gemacht, dass der Körper in mehrere, einander ergänzende Teile unterteilt wird, deren jeder in einfachen Formen verpresst werden kann. Obwohl derart mehrere Formen zur Herstellung einander ergänzende Skelettkörper erforderlich werden, sind diese trotzdem billiger in der Herstellung und Betrieb als eine mehrteilige Form.
Die getrennt verpressten
Skelettkörper werden nach ihrer Herstellung zu- sammengelegt, so dass sie miteinander einen kom- binierten, porösen Skelettkörper bilden, welcher die Gestalt des gewünschten Körpers besitzt.
Dieser zusammengesetzte Skelettkörper wird dann mit dem geschmolzenen Infiltrat eingeseigert, welches nicht nur alle Poren der einzelnen
Skelettkörper durchdringt, sondern diese auch miteinander dauernd und fest verbindet. Auf diese Weise kann ein einheitlicher eingeseigerter
Körper erhalten werden, dessen Festigkeit und andere physikalische Eigenschaften dieselben sind wie die eines anderen Körpers, welcher aus einem einzigen Skelettkörper besteht, der eingeseigert wurde.
Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele der
Erfindung. In Fig. 1 ist eine Seitenansicht mit teilweisem Schnitt durch zwei poröse Skelett- korper 1, 2 gezeigt, die einzeln aus eisenhaltigem
Pulver geeigneter Korngrösse gepresst sind und die gewünschte Porosität aufweisen. Es ist an- genommen, dass beide Körper gleiche Abmessun- gen und Gestalt besitzen und daher m derselben
Form gepresst werden konnen. Jeder Körper ucbiiz. t eine Bohrung. ?, 4, und ist aussen bei 5, 6 gezahnt. Die Körper können, falls gewünscht, vorgesintert werden, und werden in jedem Fall derart aufeinander gesetzt, dass ihre Zahnkränze gegeneinander versetzt sind (Fig. 2), so dass bei- spielsweise ein Zahn 5 des Körpers 1 oberhalb einer Zahnlücke 7, zwischen zwei Zähnen 6 des
Korpers 2 liegt.
Pulveriges Infiltrat 8, oder eine oder mehrere Pillen daraus, werden in die Bohrung
3, 4 (Fig. 2) eingesetzt, worauf die porösen Körper mit dem infiltrat erhitzt werden, beispielsweise in einem Durchsatzofen, in welchem eine redu- zierende oder Schutzatmosphäre (trockener
Wasserstoff, gekracktes Ammongas) anwesend ist, auf eine Temperatur, welche dem Schmelzpunkt des Infiltrats 8 entspricht oder diesen überschreitet,
Jedoch unterhalb der Erweichungs- oder S. : hmelz- temperatur der Körper 1 und 2 liegt. Wenn die
Menge des Infiltrats kleiner ist als dem Volumen der Bohrungen 3, 4 entspricht, wird das Infiltrat selbstverständlich nicht bis zur oberen Fläche des
Körpers 1 reichen, wie gezeichnet.
Durch Anwendung von Pillen, welche in die Bohrung 3, 4 passen, kann das Infiltrat in jeder gewünschten
Lage eingesetzt werden.
Das erschmolzene Infiltrat durchdringt beide
Körper gleichmässig in Richtung der Pfeile 9, füllt deren zusammenhängende Poren und schweisst 4 die Körper 1, 2 zusammen entlang deren Be- rührungsfläcile, n 10. Nach dem Kühlen ist ein einheitlicher Körper 11 (Fig. 3) erhalten, der eine einzige Bohrung 12 aufweist und aus einem Netzwerk aus eisenhaltigem Werkstoff und einem anderen Netzwerk besteht, welches das erstere durchdringt und aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Der obere Teil des einheitlichen Körpers bildet an der Aussenseite einen Zahnkranz 13 und der untere Teil einen anderen Zahnkranz 14, und die Zähne 5, 6 der Kränze des einheitlichen Körpers sind gegeneinander versetzt, wie aus der Draufsicht der Fig. 4 ersichtlich.
Würae ein Körper gemäss Fig. 3, 4, aus einem einzigen porösen Skelettkörper hergestellt, so würde eine Form erforderlich sein, die entlang der Ebene 15 (Fig. 3) geteilt ist, eine derartige geteilte Form würde teuer in der Herstellung und im Betrieb sein und das Pulver würde in die unvermeidliche Spalte zwischen den Formteilen eindringen. Ausserdem würde es schwierig oder unmöglich sein, einen solchen Skelettkörper mit gleichmässiger Verteilung des Pulvers während des
Füllens und Pressens herzustellen.
Aus gleichen Gründen würde es schwierig oder unmöglich sein, cmen porösen Skelettkörper für eine gerillte Scheibe zu pressen, wie in Stirnansicht in Fig. 5 und im Querschnitt in Fig. 6 gezeigt.
Gemäss der Erfindung ist die Scheibe in zwei einander ergänzende Teile unterteilt, welche in diesem Fall axial-symmetrisch sind. Dement- sprechend wird ein Skelettkörper in einer ein- fachen Form gepresst, welcher den Teil 16 mit
Flansch 17 bildet, eine Bohrung 18 und vor- 1 springenden Ring 19 besitzt und einen Teil der
Rille 20 enthält. Ein anderer Skelettkörper 21 enthalt den anderen Flansch 22, die Nabe 23 und
Bohrung 24, welche koaxial ist mit der Bohrung 18 im ersterwähnten Skelettkörper. Die Nuttelle 2,)
26 sind gleichfalls in den einander ergänzenden Skelettkörpem ausgebildet.
Die letzteren sind so geformt, dass sie einander in gegenüberliegenden
Flächen vollkommen berühren und insbesondere der Ring 19 in die ringförmige Grube 27 des Teils 21 eingreift.
Beide Körper 16, 21, mit den Flanschen 17. 22 und Nabe 23, können leicht in Richtung ihrer
Symmetrieachse 28 in je einer einfachen Form gepresst werden.
Die einzelnen gepressten Teile können, falls gewünscht, vorgssictcrt und darnach zusammen- gesetzt werden, wie in Fig. 6 gezeigt, worauf ein
Infiltrat in die zusammenhängenden Bohrungen
18, 24, eingesetzt wird, dessen Menge ausreicht, um die Poren beider Körper zu füllen. Falls eine grössere Menge des Infiltrats erforderlich ist, kann der Überschuss auf die Aussenfläche des
Teiles 21 um die Nabe 23 aufgelegt werden und zu diesem Zweck in Form eines Ringes vorgepresst oder gegossen sein.
Die zusammen- gesetzten Skelettkörper mit Infiltrat werden sodann mit senkrechter Symmetrieachse 28 und
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nach oben vorspringender Nabe 23 in einen Durchsatzofen eingeführt, in welchem das Infiltrat erschmölzen wird und die beiden Skelett- körper gleichzeitig durchdringt, deren Poren ausfüllt und die Körper zu einer Einheit verschweisst.
Soll eine dreifache Kanmscheibe gemäss der
Stirnansicht der Fig.7und dem Querschnitt der
Fig. 8 hergestellt werden, ist es wiederum praktisch unmöglich, einen Skelettkörper in einer einzigen
Form mit gleichmässiger Pulververteilung zu pressen. Darum wird die Kammscheibe gemäss der Erfindung in drei Teile 29, 31 unterteilt, die einzeln in einfachen Formen gepresst werden können und miteinander vollständig berührenden
Flächen sowie Vorsprüngen dz 33 versehen werden, welche in entsprechenden Aussparungen eines benachbarten Teiles eingreifen und dadurch die relative Lage der Teile beim Zusammensetzen und Infiltrieren sichern. Eine Keilnut 34 ist in jedem der Teile angebracht, so dass eine einzige
Keilnut beim Zusammensetzen der Teile resultiert.
Das Infiltrat wird in die Bohrungen 35 eingesetzt und danach die Infiltrierung durch Erhitzung in der früher beschriebenen Weise besorgt. Da- durch wird eine einseitliche dreifache Kammscheibe mit drei verschiedenen Arbeitsflächen 36, 37, 38 erhalten, die glatt und dicht sind, da das Infiltrat von innen radial nach aussen die porösen, zu- sammengebauten Skelettkörper durchdrungen hat.
Wenn die Skelettkörper beispielsweise Kohlen- stoff enthielten oder Zusätze von Bestandteilen einer Stahllegierung, können die fertigen Körper einer geeigneten Hitzebehandlung zwecks Legie- rungsbildung, Diffusion des Kohlenstoffs, Härtens,
Ausglühens, Homogenisierens, Normalisierens, usw. unterworfen werden. Ebenso ist Einsatz- härtung möglich, und wenn lediglich Aussenlagen des erhaltenen einheitlichen Körpers gehärtet werden sollen, kann Hochfrequenzerhitzung D (Skineffekt) zu deren Erhitzung benutzt werden, mit nachfolgendem Abschrecken.
Die Erfindung ist nicht nur anwendbar in Fällen, in denen Körper komplizierter Gestalt hergestellt werden, die z. B. Einschnitte oder Vorsprünge s besitzen, sondern auch dann, wenn verhältnis- mässig einfache Körper hergestellt werden sollen, die jedoch so grosse Abmessungen besitzen, dass der Skelettkörper nicht durch Pressen in einer ein- fachen Form mit gleichmässiger Pulververteilung o erhalten werden kann.
Beispielsweise kann ein Zahnrad von ausserordentlicher axialer Länge dadwch erhaben werden, dass zwei oder mehrere identische Skelettkörper i (Fig. 1) hergestellt und so axial aufeinander gesetzt werden, dass die Bohrung und Zähne genau übereinander liegen und somit nach dem Infiltrieren ein einziges Zahnrad erhalten wird, dessen Zähne nicht gegeneinander versetzt sind, wie in Fig. 4 gezeigt, sondern in einer Flucht liegen und das fertige Zahnrad eine axiale Länge besitzt, die sonst in einer einfachen Form schwer oder gar nicht gepresst werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von mehrgliedrigen Formkörpern in einem kombiniert pulvermetallurgischen und Eisenseigerungsverfahren durch Pressen von mindestens zwei porösen
Skeletteilkörpem aus Metallpulvem und Aufeinanderlegen derselben zu dem gewünschten
Formkörper, dadurch gekennzeichnet, dass das zusammengesetzte eisenhaltige Skelettfbrmstück mit einer kupferhaltigen Schmelze infiltriert wird, so dass die Poren der Skelettkörper ausgefüllt und die letzteren zu einem einheitlichen Ganzen mit- einander verbunden werden.