-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Metallpulver-Spritzgießverfahren nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
-
In
der
US 5,993,507 wird
ein Metallpulver-Spritzgießverfahren
(MIM – metal
injection molding) beschrieben, bei dem ein Metallpulver, welches aus
Metallpartikeln einer definierten Korngröße besteht, zunächst mittels
eines Bindermittels aufbereitet wird, bei dem die einzelnen Pulverpartikel
im Metallpulver ummantelt werden. Anschließend wird das Metallpulver
in ein Werkzeug eingespritzt. Die erhaltene Formmasse – auch Feedstock
genannt – wird
einem Entbinderungsprozess unterzogen, bei dem das die Metallpartikel
umgebende Bindermittel entfernt wird. Anschließend wird der Feedstock bzw.
die Formmasse gesintert, also in einem thermischen Prozess verdichtet.
-
Bei
diesem Prozess können
Poren in dem hergestellten Bauteil entstehen, die insbesondere die Oberflächenqualität beeinträchtigen.
Zur Verbesserung der Oberflächengüte können zum
einen kleinere Metallpartikel im Metallpulver verwendet werden, was
jedoch mit höheren
Materialkosten verbunden ist. Zum anderen wird in der
US 5,993,507 vorgeschlagen, ein Metallpulver
mit einer Mischung aus feinen und gröberen Metallpartikeln zu verwenden und
einen Polymerbinder einschließlich
eines Additivs einzusetzen, wodurch die Oberflächenqualität ebenfalls verbessert sein
soll. Allerdings ist auch bei diesem Verfahren nicht sichergestellt,
dass die gewünschte
Oberflächengüte immer
erreicht wird.
-
Darüber ist
es in der Regel erforderlich, dem Bauteil eine geforderte Mindestfestigkeit
zu verleihen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil, welches unter
Anwendung des Metallpulver-Spritzgießverfahrens hergestellt wird,
mit hoher Oberflächengüte und hoher
Festigkeit zu fertigen.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche
geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird das Bauteil zunächst
nach dem Metallpulverspritzgießverfahren
hergestellt. Hierfür
wird die sinterfähige
Formmasse, die aus einem Metallpulver mit Metallpartikeln definierter
Korngröße besteht,
zunächst in
ein vorgefertigtes Werkzeug eingespritzt, anschließend wird
das Bindermittel in der Formmasse entfernt und danach wird die Formmasse
in einem thermischen Prozess gesintert. Das erhaltene Bauteil weist
je nach verwendetem Metallpulver und Bindersystem sowie je nach
verwendeten Systemparametern eine bestimmte Oberflächenqualität und auch eine
bestimmte Festigkeit auf, die bereits hohen Ansprüchen genügen.
-
Um
jedoch eine weitere Verbesserung der Oberflächengüte und der Festigkeit zu erzielen,
wird das Bauteil nach dem Sintern an definierten Stellen einer Umformung
zur Erzielung einer lokalen Verdichtung am Bauteil unterzogen. Dieser
Umformungsprozess stellt einen zusätzlichen, nachgeschalteten
Verfahrensschritt dar, dem das Bauteil unterzogen wird. Durch die
gezielte Umformung kann eine partielle, gegebenenfalls auch vollständige Eliminierung
von Poren an den nachbehandelten Oberflächen des Bauteiles erreicht
werden, zugleich wird die Festigkeit des Bauteils an diesen Stellen
erhöht.
-
Dieses
Verfahren weist mehrere Vorteile auf. Zum einen wird die Oberflächenqualität und die
Festigkeit verbessert, und zwar an den gewünschten Stellen am Bauteil,
die eben diese geforderten Materialeigenschaften aufweisen sollen.
Es ist hingegen nicht erforderlich, das gesamte Bauteil dem Umformungsprozess
zu unterziehen; vielmehr reicht es aus, hoch belastete Stellen am
Bauteil umzuformen. Man erreicht hierdurch an diesen Stellen durch
die lokale Verdichtung ein Schließen bzw. Eliminieren der Poren,
wodurch die Oberfläche
glatter und somit die Oberflächenqualität besser
wird. Die Verdichtung bewirkt zugleich eine Erhöhung der Festigkeit des Materials.
Diese verbesserten Eigenschaften können mit einem verhältnismäßig geringen
Umformungsaufwand erzielt werden, der anderenfalls – allein durch
Verbesserungen im Metallpulver-Spritzgießverfahren – nur mit einem größeren Aufwand
und zusätzlichen
Kosten zu bewerkstelligen wäre,
beispielsweise durch Verwendung eines feineren Metallpulvers oder
durch höhere
Temperaturen bzw. durch Beigabe zusätzliche Additive. Beim erfindungsgemäßen Verfahren
sind dagegen derartige Verbesserungsmaßnahmen im Metallpulver-Spritzgießverfahren
zwar grundsätzlich
möglich,
jedoch nicht zwingend Voraussetzung für die lokale Verbesserung der Materialeigenschaften
an den gewünschten
Stellen.
-
Ein
weiterer Vorteil liegt darin, dass durch den Umformungsprozess auch
definierte Geometriestrukturen in die Oberfläche eingeprägt werden können. Derartige Strukturen,
die insbesondere im Mikrobereich liegen, können beispielsweise für verbesserte
Reibeigenschaften an dieser Stelle des Bauteiles eingeprägt werden.
Auf diese Weise wird im Mikrobereich eine reliefartige Struktur
erreicht, wobei sowohl die erhabenen als auch die zurückgesetzten Abschnitte
innerhalb des umgeformten Bereiches die gewünschten Oberflächen- bzw.
Materialeigenschaften aufweisen können.
-
Zweckmäßig wird
bereits während
des Metallpulver-Spritzgießverfahrens
dem Bauteil ein zusätzliches
Prägevolumen
an jener Stelle aufgegeben, die anschließend dem Umformungsprozess
unterzogen wird. Dieses Prägevolumen
wird vollständig oder
teilweise durch die Umformung zusammengedrückt und dadurch soweit reduziert,
bis die gewünschte
Oberflächengeometrie
und -topografie erreicht ist. Das Prägevolumen stellt somit ein
Puffervolumen für
den nachfolgenden Umformungsprozess dar.
-
Die
Umformung kann sowohl einseitig erfolgen, also nur an derjenigen
Seite, welche die gewünschte
Oberflächenstruktur
aufweisen soll, als auch zweiseitig, also zusätzlich an der gegenüberliegenden
Außenseite
dieser Stelle des Bauteiles. Die einseitige Umformung weist den
Vorteil eines verhältnismäßig schnell
und leicht durchzuführenden
Verfahrensschrittes auf. Mit der zweiseitigen Umformung wird andererseits
eine weiter verbesserte Oberflächengüte und insbesondere
eine erhöhte
Festigkeit an dieser Stelle des Bauteiles erzielt, da sich die Verdichtung
im Vergleich zur einseitigen Umformung tiefer in das Material des
Bauteiles erstreckt.
-
Es
können
verschiedenartige Metallpulver für
die Herstellung des Bauteiles eingesetzt werden, beispielsweise
feine Metallpulver mit einer Korngröße kleiner als 20 μm oder auch
gröbere
Metallpartikel mit einer Korngröße zwischen
20 μm und 150 μm. Grundsätzlich können sowohl
homogene Metallpulver, also Metallpulver mit einheitlicher Korngröße der Metallpartikel,
als auch eine Mischung unterschiedlich großer Metallpartikel für das erfindungsgemäße Verfahren
eingesetzt werden.
-
Als
Material für
das Metallpulver können
alle sinterfähigen
Metalle sowie Metalllegierungen eingesetzt werden.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
-
1 einen
Schnitt durch ein Bauteil, welches im Metallpulver-Spritzgießverfahren
hergestellt und anschließend
lokal an einer Stelle umgeformt worden ist,
-
2 eine
Ansicht eines weiteren Bauteiles, welches an einer Stelle an der
Innenseite und an der Außenseite
zur Umformung vorgesehen ist,
-
3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
mit einem Bauteil, welches lediglich an einer Seite umgeformt werden
soll.
-
Ausführungsform(en)
der Erfindung
-
In 1 ist
ein Bauteil 1 dargestellt, das im Wege des Metallpulver-Spritzgießverfahrens
hergestellt und anschließend
einem Umformungsprozess unterzogen worden ist. Beim Metallpulver-Spritzgießprozess
wird zunächst
eine sinterfähige
Formmasse, die aus einem Metallpulver mit zugesetztem Bindermittel
besteht, in ein Werkzeug eingespritzt, anschließend wird das Bindermittel
aus der Formmasse entfernt und danach wird diese in einem thermischen Prozess
gesintert. Hierbei können
im Metall des Bauteiles 1 Poren 4 entstehen, die
an der Oberfläche
des Bauteiles zu einer unerwünschten
Qualitätsbeeinträchtigung
führen.
Zur Verbesserung der Oberflächengüte und auch
zur Erhöhung
der Festigkeit zumindest im Bereich der Bauteiloberfläche wird
das Bauteil 1 an einer definierten Stelle 2 einer
Umformung unterzogen, was durch die überhöht dargestellte Eindrückung an
der Stelle 2 gezeigt ist. Im Bereich der Umformung ist
der oberflächennahe
Bereich 3 des Bauteiles mechanisch verdichtet, was zu einer
vollständigen
oder zumindest teilweisen Eliminierung der Poren im Material des
Bauteiles führt.
Als Ergebnis erhält
man eine verbesserte Oberflächenqualität sowie
eine erhöhte
Festigkeit im oberflächennahen
Bereich 3.
-
Ein
weiterer Vorteil des sich an das Metallpulverspritzgießverfahren
anschließenden
Umformungsprozesses liegt darin, den oberflächennahen Bereich 3 an
der Stelle 2 mit einer gewünschten, definierten Geometriestruktur
versehen zu können,
die in die Oberfläche
eingeprägt
wird. Hierdurch kann die Oberfläche
des Bauteiles 1 im Bereich der Stelle 2 mit zusätzlichen
gewünschten
Eigenschaften versehen werden, beispielsweise mit einer verminderten Reibung.
-
In
den 2 und 3 sind weitere Bauteile 1 dargestellt,
die im Metallpulver-Spritzgießverfahren hergestellt
und anschließend
lokal einer Umformung an der Stelle 2 unterzogen werden.
Bei dem Bauteil 1 in den 2 und 3 handelt
es sich zweckmäßig um den
Dichtsitz für
ein Einspritzventil in einer Brennkraftmaschine. Das Bauteil 1 ist
jeweils nur teilweise dargestellt, zu erkennen ist die Längsachse 8 des
vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildeten Bauteiles 1.
-
Wie 2 zu
entnehmen, weist die Stelle 2, an der umgeformt werden
soll, an gegenüberliegenden
Außenseiten
des Bauteiles jeweils ein Prägevolumen 5 bzw. 6 auf,
das einen Puffer für
die Umformung darstellt. Die Umformung erfolgt plastisch, wobei
das Prägevolumen 5 und 6 jeweils
zusammengedrückt
wird, so dass die Oberfläche
sich an beiden gegenüberliegenden
Seiten gleichmäßig und
ohne Überhöhung in
die angrenzenden Oberflächen
des Bauteils einfügt.
Aufgrund der Umformung an beiden gegenüberliegenden Außenseiten
an der Stelle 2 des Bauteiles wird eine tiefgebende Verdichtung
des Materials erzielt, was mit dem schraffierten Bereich 7 zwischen
den Prägevolumen 5 und 6 exemplarisch dargestellt
ist.
-
Das
Ausführungsbeispiel
nach 3 unterscheidet sich gegenüber dem vorhergehenden dadurch,
dass nur ein Prägevolumen 6 an
einer Seite der umzuformenden Stelle 2 vorgesehen ist.
Das Bauteil 1 wird nur einseitig im Bereich des Prägevolumens 6 umgeformt.
Dementsprechend ergibt sich auch eine unterschiedliche Querschnittsgeometrie des
verdichteten Bereichs 7 in dem Material an der umgeformten
Stelle, indem die Verdichtung an der oberflächennahen Seite der Umformung
am größten ist
und sich mit zunehmendem Abstand verjüngt. Beim Ausführungsbeispiel
nach 2 weist dagegen der verdichtete Bereich 7 im
Querschnitt etwa Trichterform auf, was auf die doppelte Umformung
an beiden außen
liegenden Seiten an der Stelle 2 zurückzuführen ist.