DE10147553A1

DE10147553A1 - Verfahren zur Steuerung der Sinterschwindung und Sinterverformung von Sinterwerkstoffen

Info

Publication number: DE10147553A1
Application number: DE2001147553
Authority: DE
Original assignee: Bleistahl Prod & Co KG GmbH
Current assignee: SPANG, WALTER, 87477 SULZBERG, DE
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2003-04-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Sinterschwindung und Sinterverformung in Bauteilen aus Sinterwerkstoffen, wobei die Bauteile Ausnehmungen und/oder Druchbrechungen aufweisen, und bei dem das Bauteil vor dem Sintern im Bereich der Ausnehmungen und/oder Druchbrechungen mit einem formhaltigen keramischen Einsatz versehen wird, anschließend mit dem Einsatz unter für das Bauteil üblichen Bedingungen gesintert wird und schließlich von dem Einsatz befreit wird, wobei der Sinterwerkstoff und das Material des Einsatzes so ausgewählt werden, dass sich eine Schwindung ergibt, die 99,5 bis 50% der maximalen (100%) linearen Sinterschwindung des Sinterwerkstoffes ausmacht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Sinterschwindung und Sinterverformung bei Bauteilen aus Sinterwerkstoffen, die Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen aufweisen.

Sinterwerkstoffe sind Werkstoffe, die aus pulverförmigen Materialien durch Sintern, zumeist bei Temperaturen nahe zum, jedoch noch unterhalb des Schmelzpunktes, erhalten werden. Die Sintertechnologie spielt bei metallischen und keramischen Materialien eine Rolle und wird insbesondere auch auf Hartmetallwerkstoffe angewandt; Mischungen von metallischen und keramischen Werkstoffen zu sogenannten Cermets sind ebenfalls bekannt. Weiterhin wird auf diese Weise Sinterglas für eine Reihe technischer Anwendungen hergestellt. Die Sintertechnologie ermöglicht eine endformnahe (near net shape) oder einbaufertige (ready to assemble) Herstellung von Bauteilen, bei denen die Nachbearbeitung und nachträgliche Formgebung auf ein Minimum beschränkt werden oder ganz unterbleiben kann.

Eine Eigenschaft von Sinterwerkstoffen, die bei der Formgebung berücksichtigt werden muß, ist die teilweise erhebliche Schwindung, die bis zu 25%, bezogen auf die jeweilige Abmessung am noch nicht gesinterten Bauteil, ausmachen kann. Diese Schwindung muß bei Dimensionsgebung des Rohkörpers berücksichtigt werden. Da die Schwindungswerte für die einzelnen Materialien sehr gut untersucht und bekannt sind, ist die Dimensionsgebung bei Materialien mit einfachen geometrischen Formen unproblematisch. Problematisch ist die Herstellung von Bauteilen mit komplexeren Formen, auch solchen mit Bohrungen, Ausnehmungen, Vorsprüngen und dergleichen. Hier ist häufig eine umfangreiche Nachbearbeitung des gesinterten Bauteils erforderlich, um die gewünschten Dimensionen der fertigen Bauteile zu erreichen.

Was die Sinterwerkstoffe anbetrifft, ist die Schwindung bei Sinterstählen voll beherrschbar. Bei der Flüssigphasensinterung, die Produkte nahezu theoretischer Dichte mit verbesserten mechanischen und physikalischen Eigenschaften ergibt, werden allerdings Produkte mit einer relativ großen Streubreite der Schwindungswerte erhalten, was Schwierigkeiten bei der Nachbearbeitung mit sich bringt. Dies gilt insbesondere bei komplexen Bauteilen, bei denen die Nachbearbeitung in Durchbrechungen, Bohrungen, Hinterschneidungen und in Nuten ausgesprochen zeitaufwendig und kostenträchtig ist.

Bei Sinterbauteilen, deren Dimensionen im Bereich von Bohrungen, Ausnehmungen, Vorsprüngen und Durchbrechungen einer gewissen Streubreite unterliegen, muß zudem, zur Verminderung des Ausschusses, mit Aufmaß gearbeitet werden, was den Nachbearbeitungsaufwand weiter erhöht.

Es wäre deshalb wünschenswert, über ein Verfahren zu verfügen, mit dem es möglich ist, Bauteile aus Sinterwerkstoffen, die insbesondere Ausnehmungen oder Bohrungen aufweisen, endabmessungsnah oder einbaufertig herzustellen.

Dies wird mit dem Verfahren der eingangs bezeichneten Art erreicht, bei dem das Bauteil im Bereich der Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen vor dem Sintern mit einem formhaltigen Einsatz versehen wird, anschließend mit dem Einsatz unter für das Bauteil üblichen Bedingungen gesintert wird und schließlich von dem Einsatz befreit wird, wobei der Sinterwerkstoff und das Material des Einsatzes so ausgewählt werden, dass sich eine Schwindung ergibt, die 99,5 bis 50% der maximalen (100%) linearen Sinterschwindung des Sinterwerkstoffes ausmacht.

Wie eingangs festgestellt, liegen typische Werte für die Sinterschwindung bei metallischen Werkstoffen bei bis zu 8%, bei Hartmetallen bei bis zu 18% und bei Keramik bei bis zu 25%, dort häufig im Bereich von 14 bis 21%, wozu festzuhalten ist, dass es sich hierbei um Werte für die lineare Schwindung handelt. Durch Aufschwinden der zu sinternden Bauteile auf die Einsätze wird die Schwindung mindestens in Richtung einer der drei Raumachsen bei einem zuträglichen Wert gesteuert zum Stillstand gebracht, so dass sich das gesinterte Bauteil dem Einsatz anpaßt. Zuträglicher Wert für die Steuerung der Sinterschwindung ist ein Wert, bei dem sich ein spezifisches Gefüge ausbildet ohne dass am Bauteil Schaden entsteht.

Der erfindungsgemäß verwandte Begriff der Schwindung ist bezogen auf die maximale lineare Sinterschwindung des jeweiligen Sinterwerkstoffes, der mit 100% angenommen wird. Zum Ausgleich der Streubreite der normalen Sinterschwindung ist es häufig ausreichend, die Schwindung auf 99,5 bis 90% der maximalen Sinterschwindung zu begrenzen. Zur Erzielung besonderer Effekte oder bei fehlen passender Formgebungsmöglichkeiten kann die Sinterschwindung auf 60 oder 50% begrenzt werden.

Die erfindungsgemäße Begrenzung der Sinterschwindung kann auch durch den technischen Begriff der Überdeckung (Ü) veranschaulicht werden. Dabei ist die Überdeckung die Differenz zwischen maximaler linearer Schwindung (Schw_max) und tatsächlicher linearer Schwindung mit Einsatzes (Schw_Einsatz) und wird in Prozent wie folgt ausgedrückt:

Ü (%) = Schw_max (%) - Schw_Einsatz (%)

Bei einer typischen linearen Schwindung zwischen 3 und 8%, wie sie für zahlreiche metallische Sinterwerkstoffe gegeben ist, liegen typische Werte für die Überdeckung zwischen 0,02 und maximal 4%, vorzugsweise 0,03 und 2%. Bei keramischem Sinterwerkstoff mit einer typischen linearen Schwindung zwischen 14 und 21% liegen typischen Werte für die Überdeckung zwischen 0,05 und 11%, vorzugsweise 0,1 und 8%. Bei zu hohen Werten für die Überdeckung können im fertig gesinterten Bauteil Schäden, beispielsweise durch Rißbildung auftreten. Ist die Überdeckung zu gering, findet keine Steuerung der Schwindung statt, d. h. das eigentliche Ziel, ein endabmessungsnahes oder einbaufertiges Bauteil zu bekommen, wird verfehlt.

In der Regel wird deshalb der minimale Wert für die Überdeckung größer als 0 sein und beispielsweise im Bereich 0,05 und 1% liegen.

Bezogen auf die maximale Schwindung wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Schwindung auf Werte im Bereich von 99,5 bis 50% der maximalen Schwindung begrenzt (lineare Schwindung), vorzugsweise auf dem Bereich von 99% bis 55% und insbesondere 99% bis 60%.

Die Erfindung wird durch das folgende Ausführungsbeispiel näher erläutert. Ein Ring mit den Abmessungen 58,7 × 35,9 × 14,9 mm wurde durch axiales Pressen mit einem Pressdruck von 800 MPa verdichtet. Die anschließende Sinterung erfolgte über 30 min bei 1120°C in einer Schutzgas-Atmosphäre aus 80% Stickstoff und 20% Wasserstoff. Die Tabelle zeigt die unterschiedliche Maßänderung nach der Sinterung mit und ohne Einsatz.

Durch Sintern, zum Zweck der Sintersteuerung auf zylinderförmige keramische Einsätze, konnte der Innendurchmesser der Sinterstahlringe auf das Maß 34,5 mm entsprechend dem Außendurchmesser der Einsätze gezielt eingestellt werden. Die Abmessung des Außendurchmessers der Einsätze betrug ebenfalls 34,5 mm.

Die Sinterstahlringe entsprechen Werkstoffqualitäten, wie in DE 100 16 830 A1 beschrieben.

Gemäß angegebener Formel und durch Einsetzen der Werte aus der bei der Betrachtung relevanten Spalte "Innendurchmesser" errechnet sich die Überdeckung folgendermaßen:

Ü = 4,5% - 3,9% = 0,6%

Betrachten wir die Schw_max von 4,5% am Innendurchmesser als 100%, wurde die Schwindung durch Verwendung eines geeigneten Einsatzes auf 3,9% (Schw_Einsatz) begrenzt, somit wird die Schwindung am Innendurchmesser bei 86,7% der möglichen Schwindung gesteuert zum Stillstand gebracht.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur Herstellung von Bauteilen eingesetzt werden, die Bohrungen, Durchbrechungen, Ausnehmungen oder Vorsprünge/Rücksprünge in ihrem Körper oder ihren Wandungen aufweisen. Typische Beispiele sind etwa Lagerbuchsen, auch solche, die zusätzliche Bohrungen oder Durchbrechungen in ihrer Wandung haben, sowie Bauteile mit Durchbrechungen in vielfältiger Form, wie Maschinenteile. Bevorzugtes Einsatzgebiet sind tribologische Teile im Kraftfahrzeugbau, wie Nocken, Lagerkomponenten, Dichtringe, etc.

Die Formgebung der noch nicht gesinterten Bauteile (Grünteile) erfolgt für das erfindungsgemäße Verfahren in herkömmlicher Weise, d. h. zur Verdichtung der Ausgangspulver kommen auch die üblichen Hilfsmitteln zur Anwendung. Diese noch nicht gesinterten Formkörper werden dann in den Ausnehmungen, Bohrungen oder Durchbrechungen, die erfindungsgemäß gestaltet werden sollen, mit den formgebenden Einsätzen versehen und in so bestücktem Zustand in üblicher Weise gesintert. Nach dem Sintern werden die Einsätze aus dem Bauteil entfernt.

Es versteht sich, dass die Einsätze selbst keine nennenswerte Sinterschwindung aufweisen, d. h. aus einem Material bestehen, das seine Abmessungen unter den Sinterbedingungen im wesentlichen beibehält. Es versteht sich ferner, dass das Material des Einsatzes auch unter den Sinterbedingungen nicht mit dem Sinterwerkstoff des Bauteils reagiert und sich auch mit diesem nicht in unzuträglicher Weise verbindet.

Es kann zweckmäßig sein, für den Einsatz ein Material mit einem größeren Ausdehnungskoeffizienten vorzusehen, als ihn der Sinterwerkstoff hat. Dies hat zur Folge, dass beim Abkühlen des Bauteils nach dem Sintern der Einsatz etwas stärker schrumpft als das Bauteil und sich hierdurch automatisch vom Bauteil löst. Dies erleichtert das Entfernen des Einsatzes.

Bei der Dimensionierung der Einsätze wird insbesondere auch die thermische Ausdehnung des Einsatzes wie auch das thermische Kontraktionsverhalten des fertig gesinterten Bauteils bei den Sintertemperaturen berücksichtigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf Sinterstähle, Hartmetalle und Keramiken angewandt werden. Insbesondere eignet es sich zur Herstellung von tribologischen Bauteilen. Bei Einsätzen ist es vorteilhaft, diese aus keramischem Material zu fertigen, beispielsweise einer hoch temperaturfesten Oxid- oder Nichtoxid-Keramik, die sich unter den Sinterbedingungen für das Bauteil nicht mehr verändert. Die Sinterbedingungen sind im übrigen die, die üblicherweise für den zum Einsatz kommenden Sinterwerkstoff verwandt werden. Bei tribologischen Bauteilen aus Sinterstählen ist das Flüssigphasensintern zur Erzielung hoher Dichten bevorzugt.

Als Sinterwerkstoffe kommen auf metallischer Seite insbesondere Stahl und Bronze in Frage, daneben bekannte Legierungen aus Hartmetallphasen in Matrixmetallen für Werkzeuge. Ferner können Glaspulver und -körner als Sinterwerkstoffe eingesetzt werden sowie die ganze Bandbreite keramischer Materialien, wie SiC, Si₃N₄, Sialone, ZrO₂, B₄C, Al₂O₃, MgO, SiO₂ und dergleichen.

Die Einsätze können aus beliebigen Materialien bestehen, vorausgesetzt, dass dieses nicht mit dem Sinterwerkstoff reagiert und unter den Sinterbedingungen dimensionsstabil ist oder definiert schwindet. Bevorzugt sind hochschmelzende Metalle bzw. Metallegierungen und keramische Materialien, hier insbesondere ZrO₂, SiC, BN, Al₂O₃, Graphit und tonkeramische Einsätze. Zur Erzeugung einer Trennschicht oder zur Veränderung der Oberflächeneigenschaften der Einsätze kann es zweckmäßig sein, diese zu beschichten, beispielsweise mit einem zur Beschichtung geeigneten der vorstehend aufgelisteten keramischen Materialien.

Nach dem Sintern und Abkühlen werden die Bauteile manuell oder mit Hilfe von Werkzeugen von den Einsätzen befreit und, falls notwendig, einer Nachbehandlung unterzogen. Bei endabmessungsnaher Herstellungsweise kann die Zahl der Nachbearbeitungsstufen vermindert und/oder die Bearbeitungszeit verkürzt werden.

Die Erfindung wird durch die beiliegenden Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen noch ungesinterten Formkörper für eine Hülse mit seitlicher Bohrung und
Fig. 2 das Bauteil gemäß Fig. 1 nach der Sinterung.
Fig. 1 zeigt einen ungesinterten Formkörper für eine Hülse 1 in seitlichem Schnitt mit einer senkrecht verlaufenden Bohrung 2 und einer Durchbrechung 4 der Wand 3 mit einem Einsatz 5. Der Formkörper selbst besteht beispielsweise aus verdichtendem Stahlpulver, der in die Durchbrechung 4 der Wandung 3 eingelegte Einsatz 5 mit den Endabmessungen der Bohrung nach dem Sintern beispielsweise aus Zirkoniumdioxid. Es ist festzuhalten, dass die Durchbrechung 4 der Wandung 3 einen größeren Durchmesser hat als der Einsatz 5.
Fig. 2 zeigt den Körper 1 aus Fig. 1 in fertiggesintertem Zustand mit der Bohrung 2, dem von der Wandung 3 fest umschlossenen Einsatz 5, der gleichzeitig die Durchbrechung 4 der Wandung definiert. Die Durchbrechung 4 entspricht nun perfekt der Außenkontur des Einsatzes 5. Die Sinterschwindung des Gesamtbauteils entspricht der für das Material üblichen Sinterschwindung, im dargestellten Fall 4% linear. Im Bereich der Durchbrechung 4 der Wandung 3 wurde die Sinterschwindung durch den Einsatz 5 begrenzt, hier auf einen Wert von 3,5% (Wert für die Überdeckung 0,5%) oder 87,5% der maximalen Sinterschwindung von 100%. Die Darstellungen sind nicht maßstabsgetreu.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der Sinterschwindung und Sinterverformung in Bauteilen aus Sinterwerkstoffen, wobei die Bauteile Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil vor dem Sintern im Bereich der Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen mit einem formhaltigen Einsatz versehen wird, anschließend mit dem Einsatz unter für das Bauteil üblichen Bedingungen gesintert wird und schließlich von dem Einsatz befreit wird, wobei der Sinterwerkstoff und das Material des Einsatzes so ausgewählt werden, dass sich eine Schwindung ergibt, die 99,5 bis 50% der maximalen (100%) linearen Sinterschwindung des Sinterwerkstoffes ausmacht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwindung auf 99% bis 55% der maximalen Schwindung begrenzt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwindung auf 99% bis 60% der maximalen Schwindung begrenzt ist.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material für den Einsatz verwandt wird, dessen Wärmeausdehnungskoeffizienten gleich oder größer ist als der des Sinterwerkstoffes in gesintertem Zustand.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil hülsen- oder ringförmig ist.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sinterwerkstoff ein metallischer Werkstoff verwandt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Sinterwerkstoff ein metallischer Werkstoff verwandt wird und als Einsatz ein keramisches Material.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material des Einsatzes Zirkoniumdioxid (ZrO₂) ist.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Einsatz beschichtet ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung als Trenn- und Gleitmittel wirkt.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Herstellung von Sinterformteilen mit Bohrungen.