DE10127626A1

DE10127626A1 - Verfahren zur Herstellung gebauter Werkstücke

Info

Publication number: DE10127626A1
Application number: DE10127626A
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Bihr; Michel Bezin
Original assignee: Alliance S A
Current assignee: Alliance S A
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2002-12-19
Anticipated expiration: 2021-06-08
Also published as: GB2394724A; DE10127626C2; GB0225163D0

Abstract

Zur Herstellung eines gebauten Werkstückes mit zwei kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbundenen Elementen wird zumindest ein erstes Element durch MIM-Prozess - d. h. durch Spritzgußformung eines Rohlinges aus Kunststoff-Metallpulver-Mischung, nachfolgendes Austreiben des Kunststoffes zur Erzeugung eines Grünlinges sowie darauffolgende Sinterung des Grünlinges - erzeugt. Die bei der Sinterung auftretende Schrumpfung wird zur form- bzw. kraftschlüssigen Halterung eines weiteren Elementes in einer Ausnehmung am ersten Element ausgenutzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gebau ter Werkstücke mit erstem Metallelement und in eine Ausneh mung desselben kraft- und/oder formschlüssig eingefügtem weiteren Element.

Aus der DE 44 14 095 A1 ist ein derartiges Verfahren zur Herstellung eines gebauten Kolbens bekannt. Dabei wird in eine Umfangsnut des Kolbenschaftes zur Herstellung eines Kolbenringträgers ein Metall mit gegenüber dem Metall des Kolbenschaftes abweichendem thermischen Ausdehnungskoeffizi enten aufgegossen. Dieser Koeffizient ist so ausgewählt, daß bei Erstarrung des aufgegossenen Materials eine Aufschrump fung des Kolbenring-Trägers auf den Kolbenschaft erreicht wird.

Gemäß der DE 199 17 175 A1 kann ein Bauteil dadurch herge stellt werden, daß ein poröser Körper in eine Druckgußform eines Druckgußwerkzeuges unter Ausfüllung der Druckgußform eingelegt und während eines Druckgußvorganges mit einer die Porösitäten des vorgenannten Körpers ausfüllenden Metalle gierung befüllt wird.

Des weiteren ist die pulvermetallurgische Herstellung von Werkstücken durch einen sogenannten MIM-Prozess (metall in jection molding) bekannt. Dabei wird zunächst ein Rohling des gewünschten Werkstückes durch Spritzgießen einer Mi schung aus Kunststoff bzw. Thermoplastmaterial und Metall pulver erzeugt. Nachfolgend wird das Thermoplastmaterial durch Hitzebehandlung bzw. thermochemische Behandlung aus dem Rohling ausgetrieben, so daß ein in der Regel poröser und sehr fragiler, im wesentlichen durch Restbestandteile des Kunststoffmaterials zusammengehaltener Grünling des Werkstückes entsteht. Dieser wird darauffolgend gesintert, wobei die zuvor vom Kunststoff bzw. Thermoplastmaterial be freiten Porösitäten zwischen den Metallpulverpartikeln aus gefüllt werden und eine Schrumpfung auftritt, deren Maß durch das Volumen der vom Metallmaterial ausgefüllten Porö sitäten zwischen den Metallpulverpartikeln des Grünlinges vorgegeben ist.

Auf diese Weise lassen sich sehr verschiedenartige Werkstüc ke herstellen, beispielsweise Gehäuse von Armbanduhren, Zahnräder, Scharnierteile oder sonstige Maschinenbauelemen te.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, gebaute Werkstücke in neu er und vorteilhafter Weise herzustellen. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs angegebenen Art gelöst, welches erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch

1. Spritzgußformung eines Rohlinges des ersten Metallele mentes aus einem Gemisch aus Metallpulver und Ther moplast- bzw. Kunststoffmaterial,
2. nachfolgende Erzeugung eines (fragilen) Grünlings des ersten Metallelementes durch (thermisches bzw. ther mochemisches) Austreiben des Kunststoff- bzw. Ther moplastmaterials aus dem Rohling,
3. darauffolgende Sinterung des Grünlings sowie durch Schrumpfung des Grünlings bei der Sinterung erfolgender kraft- und/oder formschlüssiger Verbindung mit dem zu vor in die Ausnehmung eingesetzten weiteren Elementes, wobei bei der Sinterung auch eine Verbindung durch Dif fusion der Materialien der beiden Elemente erfolgen kann.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das erste Metallelement des gebauten Werkstückes in bekannter Weise durch den MIM-Prozess herzustellen und die dabei während der Sinterung auftretende Schrumpfung des Grünlings zur kraft- bzw. formschlüssigen Halterung des weiteren Elementes in der dafür vorgesehenen, bereits bei Ausformung des Rohlinges er zeugten Ausnehmung im Grünling auszunutzen. Überraschender weise hat sich herausgestellt, daß trotz der ausgeprägten Fragilität des Grünlinges bei dessen Schrumpfung im Verlauf der Sinterung auch dann keine Risse auftreten, wenn durch die Schrumpfung eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Elementen des Werkstückes erzielt werden soll.

Ein besonderer Vorzug der Erfindung liegt darin, daß das Herstellungsverfahren insgesamt leicht durchführbar ist, weil abgesehen von nachfolgenden thermischen Behandlungs schritten zur Erzeugung des Grünlings sowie zur Durchführung der Sinterung nur ein Spritzgußverfahren ausgeführt werden muß.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das erste Metallele ment mit weiteren Elementen aus praktischen beliebigen Mate rialien verbunden werden kann, die zumindest der Sintertem peratur standhalten.

Soweit das weitere Element aus Metall oder porösem Material besteht, kann bei der Sinterung des ersten Metallelementes im Bereich der Grenzschicht zwischen den beiden Elementen eine Diffusionszone erzeugt werden, innerhalb der sich die Materialien der beiden Elemente mehr oder weniger ausgeprägt durchdringen und/oder einen Verbund nach Art einer Legierung miteinander eingehen.

Gegebenenfalls können beide bzw. alle Elemente des Werkstüc kes durch MIM-Prozesse hergestellt werden, wobei diese Pro zesse vorzugsweise simultan erfolgen können, wenn der Roh ling bzw. der Grünling des jeweils weiteren Elementes vor dem Austreiben des Thermoplastmaterials bzw. vor Durchfüh rung der Sinterung in die Ausnehmung am jeweils ersten Ele ment eingesetzt wird.

Das Maß der bei der Sinterung erfolgenden Schrumpfung des durch den MIM-Prozess hergestellten Elementes bzw. der auf diese Weise hergestellten Elemente wird im wesentlichen durch die Zeitdauer der Sinterung, die Schmelztemperatur des Metallpulvers, die Kornform des Metallpulvers und die Kom paktfifizierung des Metallpulvers bzw. die Porösitäten zwi schen den Pulverpartikeln bestimmt.

Unter Ausnutzung unterschiedlicher Schrumpfmaße kann bei Herstellung beider bzw. aller miteinander zu verbindenden Elemente durch MIM-Prozess wahlweise eine lediglich form schlüssige und damit beweglich bleibende Verbindung dieser Elemente oder eine unabhängig von einem gegebenenfalls vor gesehenen Formschluß kraftschlüssige Verbindung der Elemente ohne bzw. mit allenfalls gehemmter Beweglichkeit relativ zu einander erreicht werden.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfin dung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Va rianten der Erfindung näher erläutert werden.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung des MIM-Prozesses,

Fig. 2 die Verbindung eines MIM-Prozess hergestellten er sten Metallteiles durch Kraftschluß mit einem wei teren Metallteil, gegebenenfalls unter zusätzlicher Ausbildung einer Diffusionszone zwischen beiden Teilen,

Fig. 3 eine kraft- und formschlüssige Verbindung eines durch MIM-Prozess hergestellten ersten Metallteiles mit einem weiteren Metallteil,

Fig. 4 eine lediglich formschlüssige Verbindung zwischen einem MIM-Prozess hergestellten ersten Metallteiles mit einem weiteren Teil und

Fig. 5 eine lediglich formschlüssige Verbindung zwischen zwei durch MIM-Prozess hergestellten Metallteilen.

Wie im Bild A der Fig. 1 dargestellt ist, wird bei der Her stellung eines Werkstückes durch MIM-Prozess zunächst eine Mischung aus Metallpulver und Thermoplast- bzw. Kunststoff material mit einem beispielsweise als Schneckenförderer aus gebildeten Fördergerät 1 in eine Spritzgußform 2 einge bracht, in der dann unter Druck- und Hitzebeaufschlagung ein Rohling des gewünschten Werkstückes erzeugt wird. Dies ist schematisiert im Bild A der Fig. 1 dargestellt.

Gemäß dem Bild B der Fig. 1 besteht das Material des Roh lings einerseits aus Metallpulverpartikeln 3 und anderer seits aus Kunststoff 4, welcher einer die zwischen den Me tallpulverpartikeln 3 verbleibenden Freiräume ausfüllende Kunststoffmatrix bildet.

Nachfolgend wird das Kunststoffmaterial 4 durch (thermische bzw. thermochemische) Depolymerisation ausgetrieben, wobei adhesiv wirkende Restbestandteile des Kunststoffmaterials einen fragilen Verbund zwischen den Metallpulverpartikeln 3 des nunmehr gebildeten Grünlings des Werkstückes aufrechter halten.

Bei einer nachfolgenden Sinterung verformen sich die Metall pulverpartikel 3 unter zunehmender Verdichtung und Schrump fung des Werkstückes, wobei das Maß der Schrumpfung von der Dauer und Temperatur des Sinterprozesses sowie der damit er reichten Kompaktifizierung und Verformung der Metallpulver partikel 3 abhängt.

Die beim MIM-Prozess auftretende Schrumpfung des hergestell ten Werkstückes kann bei der Herstellung eines gebauten Werkstückes zur Verbindung von dessen Teilelementen einge setzt werden:
Gemäß Fig. 2 wird zunächst ein Rohling 6 eines ersten Metallelementes mit Ausnehmung 7 durch Spritzgußformung der obengenannten Mischung aus Metallpulver und Thermoplast bzw. Kunststoffmaterial erzeugt. In die Ausnehmung 7 des Rohlings 6 wird ein weiteres hitzefestes Element 6 eingesetzt, wel ches im vorliegenden Beispiel aus Metall bestehen möge. Nun mehr wird der Rohling 6 durch Austreiben des Kunststoff- bzw. Thermoplastmaterials in einen Grünling umgewandelt, der nachfolgend gesintert wird. Die dabei auftretende Schrump fung bewirkt, daß das erste Metallelement 6 bei entsprechend bemessener Ausnehmung 7 das weitere Element 8 kraftschlüssig umschließt, wobei bei entsprechend aneinander angepaßten Ma terialien an der Grenzschicht zwischen beiden Elementen 6 und 8 eine mehr oder weniger große Diffusionszone 11 zwi schen den Materialien der beiden Elemente 6 und 8 ausgebil det wird.

Im Beispiel der Fig. 3 wird zunächst wiederum in der zuvor beschriebenen Weise ein Rohling des ersten Metallelementes 6 erzeugt. In dessen Ausnehmung 7 wird wiederum ein weiteres hitzefestes Element 8 eingesetzt. Dieses ist so ausgestal tet, daß entweder seine Höhe geringer ist als die Tiefe der Ausnehmung 7, oder daß am in die Ausnehmung 7 hineinragenden Bereich eine Hinterschneidung 9 vorhanden ist.

Nach Austreibung des Kunststoff- bzw. Thermoplastmaterials aus dem Rohling des ersten Elementes 6 erfolgt wiederum des sen Sinterung unter entsprechender Schrumpfung des ersten Elementes 6. Bei entsprechender Bemessung der Ausnehmung 7 wird dann das weitere Element mit Kraft- und Formschluß fi xiert, wobei der Formschluß dadurch bewirkt wird, daß das Material des schrumpfenden ersten Elementes 6 das weitere Element an dessen in Fig. 3 oberen Ende überlappt bzw. in die Hinterschneidung 9 eindringt.

Im Beispiel der Fig. 4 besitzt der zunächst wiederum in oben dargestellter Weise erzeugte Rohling des ersten Elementes 6 eine gestufte Ausnehmung 10, deren in Fig. 4 oberer Bereich einen relativ geringen Durchmesser besitzt, während der in Fig. 4 untere Bereich einen im Vergleich zum vorgenannten Durchmesser vergrößerten Durchmesser aufweist. Das weitere hitzefeste Element 8 besitzt einen oberen Bereich mit klei nem Durchmesser und einen unteren Bereich mit vergrößertem Durchmesser, wobei letzterer so bemessen ist, daß das weite re Element 8 durch den engeren Teil der Ausnehmung 10 in die Ausnehmung 7 einsetzbar ist.

Nachfolgend wird wiederum das Kunststoff- bzw. Ther moplastmaterial aus dem Rohling des ersten Elementes 6 aus getrieben, welches sodann unter Schrumpfung gesintert wird. Diesmal sind die Maßdifferenzen zwischen dem Rohling des er sten Elementes und dem weiteren Element 8 so groß, daß ei nerseits kein Kraftschluß zwischen den beiden Elemente 6 und 8 bei Schrumpfung des ersten Elementes 6 auftreten kann. An dererseits verengt sich jedoch die Ausnehmung 7 derart, daß der im Durchmesser größere Teil des weiteren Elementes 8 in der Ausnehmung 7 formschlüssig gefangen wird.

Auf diese Weise kann ein mehrteiliges Werkstück mit zueinan der beweglichen Teilen hergestellt werden.

Im Beispiel der Fig. 5 wird zunächst ein Rohling eines er sten Elementes 6 durch Spritzgußformung einer Mischung aus Metallpulver und Thermoplast- bzw. Kunststoffmaterial herge stellt. Der Rohling dieses Elementes 6 wird nachfolgend in eine weitere Form eingesetzt und mit einer Mischung aus ei nem weiteren Metallpulver und Thermoplast- bzw. Kunststoff material umspritzt, d. h. der Rohling des ersten Elementes 6 wird von einem Rohling eines zweiten Elementes 8 umfaßt. Nachfolgend wird das Kunststoff- bzw. Thermoplastmaterial simultan aus beiden Elementen 6 und 8 ausgetrieben. Sodann erfolgt simultan eine Sinterung beider Elemente 6 und 8, wo bei das erste Element 6 aus einem Metall bzw. Legierung mit geringfügig geringerem Schmelzpunkt als das Material des zweiten Elementes 8 bestehen möge. Damit wird gewährleistet, daß das erste Element 6 bei der Sinterung stärker schrumpft als das weitere Element 8 und eine formschlüssige bewegliche Verbindung zwischen den beiden Elementen erzielt wird.

Bei umgekehrter Materialwahl würde dagegen eine form- und kraftschlüssige Einbettung des ersten Elementes 6 im zweiten Element 8 erreicht werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung gebauter Werkstücke mit erstem Metallelement (6) und in eine Ausnehmung (7, 10) desselben kraft- und/oder formschlüssig eingefügtem zweiten Element (8), gekennzeichnet durch Spritzgußformung eines Rohlinges des ersten Metallele mentes (6) aus einem Gemisch aus Metallpulver und Ther moplast- bzw. Kunststoffmaterial, nachfolgende Erzeugung ei nes (fragilen) Grünlings zumindest des ersten Metallelemen tes (6) durch (thermisches oder thermochemisches) Austreiben des Thermoplast- bzw. Kunststoffmaterials aus dem Rohling, darauffolgende Sinterung des Grünlings sowie durch Schrump fung bei der Sinterung des Grünlings erfolgende kraft- und/oder formschlüssige Verbindung mit dem in die Ausnehmung (7, 10) eingesetzten weiteren Element (8).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Element (8) aus einem Metall besteht, wel ches bei Sinterung des ersten Metallelementes (6) mit dessen Material eine Diffusionszone (11) bildet bzw. zu bilden ge stattet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Element (8) vor Sinterung des ersten Elemen tes (6) bzw. vor Erzeugung des Grünlinges des ersten Elemen tes in die Ausnehmung (7, 10) am ersten Element eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Element (8) hergestellt wird durch Spritz gußformung eines Rohlinges des weiteren Elementes aus einem Gemisch aus Metallpulver und Thermoplast- bzw. Kunststoffma terial, nachfolgende Erzeugung eines Grünlings des weiteren Elementes durch Austreiben des Kunststoff- bzw. Ther moplastmaterials aus dem weiteren Element, darauffolgende Sinterung des zuvor erzeugten Grünlings.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Rohlingen des ersten und zweiten Elementes (6, 8) simultan Grünlinge erzeugt werden, die nachfolgend gemeinsam gesintert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der Rohling des ersten Elementes (6) durch Spritzgußformung erzeugt wird, daß nachfolgend dieser Roh ling in eine weitere Form eingelegt und dort unter Erzeugung des Rohlinges des weiteren Elementes (8) mit einer Mischung aus Metallpulver und Thermoplast- bzw. Kunststoffmaterial umspritzt wird, und daß dann beide Rohlinge simultan in Grünlinge umgewandelt und nachfolgend gesintert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die beiden Elemente (6, 8) bei der Sinterung unter schiedlich schrumpfende Metalle, insbesondere solche mit un terschiedlichen Schmelz- bzw. Erweichungstemperaturen, ein gesetzt werden.