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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles
aus einem Werkstoffverbund und insbesondere ein nach diesem Verfahren
hergestelltes Bauteil aus einem Werkstoffverbund.
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Werkstoffverbunde
bieten die Möglichkeit, Vorteile unterschiedlicher Werkstoffgruppen
zu kombinieren und auf diese Weise Komponenten mit gegenüber
den Basiswerkstoffen herausragenden Eigenschaften zu erhalten. Von
besonderem Interesse für viele Anwendungen ist die Kombination
eines harten, hochverschleißfesten Werkstoffs (Hartmetall, Cermet,
Keramik) mit einem Stahl-Grundkörper hoher Zähigkeit
und Duktilität.
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Das
Fügen von Hartmetallen mit Stählen erfolgt seither über
kraftschlüssige Verbindungen wie Klemmen, Schraubverbindungen
oder Aufschrumpfen oder aber über stoffschlüssige
Verbindungen wie Löten, Schweißen, Kleben oder
Eingießen.
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Klemmen
und Aufschrumpfen haben den Nachteil, dass keine formschlüssige
Verbindung zwischen den beiden Bauteilen besteht. Falls die Anpresskräfte
zu gering sind oder mit der Zeit nachlassen, kann es daher zur Separation
beider Bauteile kommen. Schraubverbindungen eignen sich lediglich bei recht
großen Bauteilen und auch hier ist der entsprechende Fertigungsaufwand
zur Herstellung der Bohrlöcher und Gewindegänge
sehr hoch. Weitere Nachteile entstehen durch Spannungskonzentrationen
an den Schraubverbindungen, die zum Versagen führen können,
lange bevor die eigentliche Belastbarkeit der einzelnen Werkstoffe
erreicht ist. Des Weiteren können sich Schraubverbindungen
durch Vibrationen oder zyklische Belastung lockern.
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Bei
Löt-, Schweiß-, Klebe-, oder Eingießverfahren
wird zwar eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den
verschiedenen Werkstoffen geschaffen. Durch die meist deutlich unterschiedlichen
Materialeigenschaften der Bindenaht im Vergleich zu den zu fügenden
Werkstoffpaaren stellt diese allerdings eine Schwachstelle im Gefüge
dar. Zudem sind die genannten Verfahren mit einem erheblichen fertigungstechnischen
Aufwand und zum Teil hohen Kosten verbunden.
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Zur
Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen
Stahl und Hartmetall sind verschiedene Verfahren zum Diffusionsschweißen
unter Zuhilfenahme von Weichblechen (vorzugsweise Kupfer oder Nickel)
bekannt, wie z. B. in der Patentschrift
DE 10 104 632 C2 beschrieben.
Das Diffusionsschweißen ist jedoch auf einfache Geometrien
in der Verbindungsebene beschränkt und erfordert eine sehr
hohe Oberflächengüte der zu verbindenden Werkstücke.
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In
den Patentanmeldungen
EP
630713 A1 und
EP
810051 A1 werden Verfahren zum Diffusionslöten
von Stahl- und Hartmetall-Bauteilen mit Hilfe verschiedener Hochtemperaturlote
in Pulver- oder Pastenform beschrieben. Als nachteilig erweist sich hierbei
die geringe Festigkeit der Lötverbindung gegenüber
den Grundwerkstoffen, die teilweise durch zusätz lichen
Kraft- oder Formschluss kompensiert werden muss. Zudem ist ein Ausgleich
mechanischer Spannungen durch Temperaturwechsel nur begrenzt möglich.
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In
der Patentanmeldung
EP
1625896 A1 wird eine Stahl-Hartmetall-Komposit-Walze zum
Kaltbandwalzen von Metallblechen vorgeschlagen. Aus einem Stahlkern
und einer Hartmetall-Außenschicht wird mittels Vakuumsintern
oder heißisostatischem Pressen ein Verbundkörper
mit hoher Thermoschockbeständigkeit realisiert. Dabei wird
zwischen dem Stahlkern und der Hartmetall-Außenschicht
eine dünne Cermet-Zwischenschicht aufgetragen. Diese bildet
dann unter Temperatureinfluss eine metallurgische Verbindung zwischen
dem Stahlkern und dem Hartmetall aus.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren vorzuschlagen,
mit welchem Bauteile unterschiedlicher Materialien, insbesondere
Stahl- und Hartmetallbauteile, ohne den Einsatz von weiteren Hilfsmitteln,
wie Lotwerkstoffen, Zwischenschichten oder mechanischen Befestigungen,
miteinander verbunden werden.
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Ferner
ist es Aufgabe, ein Bauteil aus einem Werkstoffverbund vorzuschlagen,
insbesondere der Verbund aus einem harten, hochverschleißfesten Werkstoff
und einem Werkstoff mit hoher Zähigkeit und Duktilität.
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Diese
Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst
mit einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles aus einem Werkstoff verbund
und einem Bauteil aus einem Werkstoffverbund entsprechend den kennzeichnenden
Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren sieht daher ein erstes
Ausgangsteil aus einem porösen Sintermaterial vor. Das
erste Ausgangsteil liegt als teilweise verdichtetes Sinterbauteil,
Grünteil oder Braunteil vor. Es ist demnach noch nicht
oder nicht vollständig verdichtet, beispielsweise durch
einen Sintervorgang. Ferner sieht das erfindungsgemäße Verfahren
zumindest ein zweites Ausgangsteil vor, welches zumindest teilweise
in einen Hohlraum des ersten Ausgangsteiles eingebracht wird, bevorzugt als
Spielpassung. Anschließend folgt ein Sintervorgang, in
welchem die Ausgangsteile unter Temperatureinfluss verdichtet werden.
Dabei wird im zumindest teilweise vom zweiten Ausgangsteil ausgefüllten Hohlraum
eine Verbindung zwischen den Ausgangsteilen erzeugt. Diese Verbindung
bildet sich aufgrund von chemischen Verbindungen, insbesondere von Atombindungen,
zwischen den Materialien der Ausgangsteile in Form eines Stoffschlusses
aus. Der Stoffschluss ist an den Stellen zu finden, an welchen beide
Ausgangsteile zueinander in Kontakt stehen.
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Bevorzugt
wird eine Kontaktausbildung beider Ausgangsteile zueinander während
des Sintervorganges sichergestellt durch die zu erwartende Sinterschrumpfung
zumindest des ersten Ausgangsteiles. Vorgesehen ist eine Sinterschrumpfung,
wodurch auch eine eventuell vor dem Sintervorgang vorliegende Spielpassung
beider Ausgangsteile überbrückt wird. Durch den
Sintervorgang verringert sich die Porosität und das Volumen
zumindest des ersten Ausgangsteiles. Bei der Kontaktausbildung weist
das zweite Ausgangsteil zum zumindest teilweise von ihm ausgefüllten
Hohlraum des ersten Aus gangsteiles bevorzugt ein theoretisches Übermaß auf.
Dieses Übermaß wird durch Materialtransporte während
des Sintervorganges kompensiert, was eine gleichmäßige
und vollständige Erzeugung der Verbindung beider Ausgangsteile
weiter begünstigt.
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Ein
derartiger Stoffschluss begünstigt in hohem Maße
eine sehr stabile Verbindung der Ausgangsteile. Die Ausbildung chemischer
Verbindungen erfolgt insbesondere auf Grund des bei der Sintertemperatur
rege stattfindenden Stofftransports infolge von Diffusion, Kriechvorgängen
und viskosem bzw. plastischem Fließen. In vorteilhafter
Weise sind für eine Verbindung der Ausgangsteile, insbesondere in
Form eines Stoffschlusses, keine weiteren Hilfsmittel notwendig.
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Von
Vorteil ist weiterhin, dass eine Verdichtung des Materials mindestens
des ersten Ausgangsteiles sowie die Erzeugung der Verbindung in
einem Prozessschritt erfolgen. So ermöglicht die vorliegende
Erfindung, die beiden Prozessschritte Verdichtung und Fügen
von Stahl-Hartmetall-Verbunden miteinander zu kombinieren. Dies
trägt in hohem Maße zu einer Reduktion der Stückkosten
bei. Außerdem sind im Gegensatz zu einem üblichen
Aufschrumpfen eines erwärmten Teiles auf ein nicht erwärmtes
Teil erfindungsgemäß alle Augangsteile der gleichen
Sintertemperatur ausgesetzt. Dadurch ist in vorteilhafter Weise
kein thermoschockbedingtes Materialversagen der Ausgangsteile an
der Stelle der Verbindung zu erwarten.
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Durch
die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen
Merkmale möglich.
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So
sieht eine Variante des Verfahrens vor, dass die Verbindung zusätzlich
in Form einer Presspassung ausgebildet wird. Die Presspassung entsteht
insbesondere beim Abkühlen nach dem Sintervorgang aufgrund
unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe
der Ausgangsteile. Hierbei sollte das erste Ausgangsteil einen größeren
Ausdehnungskoeffizienten besitzen als die übrigen Ausgangsteile.
Somit liegt beim Abkühlen eine größere
Schrumpfung des ersten Ausgangsteiles im Vergleich zu mindestens
dem zweiten Ausgangsteil vor.
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Dadurch,
dass das neue Verfahren ohne niedrig schmelzende Lotwerkstoffe auskommt,
weist ein nach diesem Verfahren hergestellter Werkstoffverbund auch
bei hohen Temperaturen eine hohe mechanische Stabilität
der Anbindung auf. Derartige Werkstoffverbunde können in
einer Vielzahl von Anwendungen als Materialien für dort
verwendete Bauteile zum Einsatz kommen. Diese Bauteile aus einem Werkstoffverbund
können für verschiedenartige Verschleißteile
eingesetzt werden, bei denen eine stoffschlüssige Verbindung
mit einem Stahlbauteil oder auch einem Bauteil aus einem anderen
Material von Vorteil ist (z. B. Bohr- und Schneidwerkzeuge, Walzen,
Pumpenteile). Ebenso denkbar ist der Einsatz in hoch belasteten
Baugruppen aus dem Automobilbereich (z. B. Einspritztechnik, Abgasturbolader,
Wälzlager, -getriebe).
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1 einen
Stahl-Hartmetall-Verbund in einer schematischen Darstellung vor
einem Sintern
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2 den
Stahl-Hartmetall-Verbund aus 1 nach einem
Sintern als Verbundteil
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
schematisch einen Stahl-Hartmetall-Verbund vor einem Sintern entsprechend
dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Dabei
ist mit 10 ein erstes Ausgangsteil bezeichnet. Das Ausgangsteil 10 besteht
aus einem Sintermaterial, vorzugsweise einem porösen Sintermaterial.
Das Sintermaterial liegt dabei zumindest teilweise in einem unverdichteten
Zustand, bevorzugt in einem unverdichteten Zustand, vor. Dies bedeutet, dass
das erste Ausgangsteil 10 noch keine oder keine vollständige
Sinterbehandlung durch eine Temperaturbehandlung erfahren hat. Allgemein
werden unverdichtet vorliegende Sinterbauteile auch als Grünteile
(mit organischen Bindern) oder Braunteile (im entbinderten Zustand)
bezeichnet.
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Das
erste Ausgangsteil 10 ist in 1 als Hohlzylinder
ausgebildet. Generell ist für das erste Ausgangsteil 10 eine
beliebige Teileform möglich, wobei diese zumindest einen
Hohlraum 15 aufweist. Ein derartiger Hohlraum 15 ist
beim in 1 gezeigten ersten Ausgangsteil 10 die
Innenbohrung mit einer Innenfläche 11 des Hohlzylinders.
In den Hohlraum 15 des ersten Ausgangsteiles 10 ist
zumindest bereichsweise ein zweites Ausgangsteil 20 eingebracht.
Vorzugsweise ist die Außenkontur des zweiten Ausgangsteiles 20 komplementär
zur Innenkontur des Hohlraumes 15 ausgebildet. So ist das
in der 1 dargestellte zweite Ausgangsteil 20 innerhalb des
Hohlraumes 15 als Zylinder mit einer Außenfläche 21 ausgebildet.
Dabei ist auch ein Hohlraum 15 möglich, in welchem
das zweite Ausgangsteil 20 allseitig vom ersten Ausgangsteil 10 umschlossen
ist.
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Die
bevorzugte Ausführungsform in 1 sieht
innerhalb des Hohlraumes 15 eine Spielpassung zwischen
dem ersten und dem zweiten Ausgangsteil 10, 20 vor.
In diesem Fall ist dann zwischen der Innenfläche 11 des
ersten Ausgangsteiles 10 und der Außenfläche 21 des
zweiten Ausgangsteiles 20 ein Spalt 16 vorhanden.
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In
diesem Zustand werden die Ausgangsteile 10 und 20 anschließend
einem Sintervorgang unterzogen. Während der Temperaturbehandlung schrumpft
das erste Ausgangsteil 10 und verliert infolge dessen an
Volumen. Insgesamt erfährt dadurch das Sintermaterial des
ersten Ausgangsteiles 10 eine Verdichtung. Vorgesehen ist,
dass die Sinterschrumpfung des ersten Ausgangsteiles 10 so
groß ist, dass der Spalt 16 zwischen der Innenfläche 11 und
der Außenfläche 21 geschlossen wird.
Durch die Sinterschrumpfung soll ein Kontakt beider Ausgangsteile 10 und 20 sichergestellt
werden.
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In 2 ist
der Stahl-Hartmetall-Verbund aus 1 nach dem
Sintern als Verbundteil 50 gezeigt. Durch die Sinterschrumpfung
insbesondere des ersten Ausgangsteiles 10 sind zumindest
teilweise die Innenfläche 11 des ersten Aus gangsteiles 10 und
die Außenfläche 21 des zweiten Ausgangsteiles 20 in
Kontakt zueinander.
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Dabei
ist an den Stellen des Kontaktes der Ausgangsteile 10, 20 zueinander
im Verbundteil 50 eine Verbindung 30 in Form eines
Stoffschlusses erzeugt worden. Infolge der Temperaturbehandlung beim
Sintervorgang findet in den Ausgangsteilen 10 und 20 an
ihren Kontaktstellen zueinander ein reger Stofftransport statt.
Ursachen für den Stofftransport sind Diffusion, Kriechvorgänge
und viskoses bzw. plastisches Fließen. Dies führt
an den Kontaktstellen zur Ausbildung von chemischen Verbindungen
zwischen den Materialien der Ausgangsteile 10 und 20. Zusätzlich
wird dadurch auch eine optimale geometrische Anpassung der Oberflächen 11 und 21 weiter begünstigt.
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Um
einen Stoffschluss sicherzustellen, sollten vorhandene Oxidschichten
im Bereich der Verbindung 30 vor oder während
dem Sintern unter einer reduzierenden Sinteratmosphäre
entfernt werden.
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Zusätzlich
ist im Verbundteil 50 in 2 eine Verbindung 30 in
Form einer Presspassung erzeugt worden. Dadurch, dass das erste
Ausgangsteil 10 mit einem größeren thermischen
Ausdehnungskoeffizienten gewählt wird als der beim zweiten
Ausgangsteil 20, liegt beim Abkühlen nach dem
Sintervorgang eine größere Schrumpfung des ersten
Ausgangsteiles 10 im Vergleich zu mindestens dem zweiten
Ausgangsteil 20 vor. Durch die dadurch entstandene Presspassung
schmiegen sich die Innenfläche 11 und die Außenfläche 21 auch
bei Vorhandensein kleinerer Unebenheiten gut aneinander, wodurch
ein vollständiger und gleichmäßiger Kontakt
der Ausgangsteile 10 und 20 an der Verbindung 30 gewährleistet
wird. Eine besonders gleichmäßiger Kontakt erfolgt
bei einer Rauhigkeit der Oberflächen der Ausgangsteile
von Rz < 100 μm.
Alternativ können in der Verbindung 30 nach dem
Sintervorgang auch eine Übergangspassung oder nur ein stellenweiser
Kontakt der Ausgangsteile 10 und 20 zueinander
vorgesehen werden.
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Es
ist darauf zu achten, dass bei einer Presspassung ein zu großes Übermaß des
zweiten Ausgangsteiles 20 vermieden wird. Ansonsten kann
dies zu einer Behinderung der Verdichtung des ersten Ausgangsteiles 10 in
radialer Richtung führen. Als Folge daraus kann es zu einem
Verzug des ersten Ausgangsteiles 10 kommen. Aus diesem
Grund sollte die Verbindung 30 beider Ausgangsteile 10 und 20, insbesondere
durch die Ausbildung des Übermaßes des zweiten
Ausgangsteiles 20 während des Sintervorganges,
weitestgehend erst am Ende des Sintervorganges erzeugt werden. Als
eine Möglichkeit stellt sich hierbei eine Anpassung der
Spielpassung beider Ausgangsteile 10 und 20 zur
zu erwartenden Sinterschrumpfung der Ausgangsteile 10, 20 durch
den Sintervorgang.
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Der
Sintervorgang erfolgt bevorzugt drucklos. Wie bereits beschrieben
wird dadurch erfindungsgemäß in sehr kostengünstiger
Weise eine sehr stabile Verbindung zwischen den Ausgangsteilen realisiert.
Des Weiteren sind auch andere Sinterverfahren, wie beispielsweise
Drucksintern, Vakuumsintern, heißisostatisches Pressen
und feldunterstütztes Sintern, einsetzbar. Hierdurch lassen
sich insbesondere druckunterstützt zusätzlich
eine größere Verdichtung der Sintermaterialien
und eine bessere Oberflächengüte des Verbundteiles 50 insgesamt erreichen.
Prinzipiell ist hiermit jedoch ein höherer Fertigungsaufwand
verbunden.
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Eine
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht für das zweite Ausgangsteil 20 einen
bereits verdichteten, zumindest einen teilweise verdichteten Zustand
eines Sintermaterials oder eine Keramik oder ein schmelzmetallurgisch
hergestelltes Material, insbesondere ein Metall, vor. Alternativ
liegt das zweite Ausgangsteil 20 aus einem Sintermaterial als
Grünteil oder Braunteil vor.
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Erfindungsgemäß ist
bevorzugt vorgesehen, dass das Verbundteil 50 aus einem
Stahl und einem Hartmetall als Materialien der Ausgangsteile 10 und 20 gebildet
wird.
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Als
Sintermaterialien für das erste und/oder das zweite Ausgangsteil 10 und 20 werden
insbesondere WC-Hartmetalle mit Fe-, Ni- oder Co-Bindemetall (ca.
6–20 Gew.-%) vorgeschlagen, wobei diese Zusatzkarbide basierend
auf Ti, Ta, V, oder Nb enthalten können. Ebenso kommen
Sinterstähle zum Einsatz. Neben den genannten Sintermaterialien werden
alternativ Sintermaterialien aus keramischen Hartstoffen, Cermet
oder schmelzmetallurgisch hergestelltem Materialien vorgeschlagen.
Bevorzugt kommen Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt ≥ 0,5 Gew.-%
in Frage, wie beispielsweise 100Cr6, X65Cr13. Dadurch kann eine übermäßige
C-Diffusion während des Sintervorgangs unterbunden werden,
so dass der Stahl in seinen Eigenschaften nicht verschlechtert wird.
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Die
Herstellung der Ausgangsteile 10, 20 aus einem
Sintermaterial erfolgt bevorzugt durch ein pulvertechnologisches
Verfahren, beispielsweise mittels Pulverspritzgießen. In
vorteilhafter Weise können über dieses Verfahren
komplexe und endformnahe Bauteile in großen Stückzahlen
gefertigt werden. Ebenso von Vorteil ist, dass bei einem ersten
und einem zweiten Ausgangsteil 10, 20 als Grün-
oder Braunteil das Schrumpfverhältnis beider Ausgangsteile 10, 20 zueinander
eingestellt werden kann. So wird über den jeweiligen Polymeranteil
im ersten Ausgangsteil 10 und im zweiten Ausgangsteil 20 sichergestellt,
dass das erste Ausgangsteil 10 ein größeres
Schrumpfvermögen aufweist als das zweite Ausgangsteil 20.
Alternativ kann das zweite Ausgangsteil 20 eine Randschicht
mit höherem Bindemetallgehalt (> 20 Gew.-%) enthalten. Möglichkeiten hierzu
sind der Einsatz eines Zweikomponentenmaterials oder eine Beschichtung.
Dadurch kann eine Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der Ausgangsteile 10, 20 zueinander optimiert werden.
Andere pulvertechnologische Verfahren, wie beispielsweise Extrusion
oder uniaxiales bzw. isostatisches Pressen, können ebenso
zur Herstellung der Ausgangsteile 10, 20 aus einem
Sintermaterial zum Einsatz kommen.
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Generell
bildet sich durch Materialaustausch infolge von Diffusion in einer
Diffusionszone 31 ein Konzentrationsgradient der jeweils
vorhandenen Legierungselemente der Materialien der Ausgangsteile 10, 20 aus.
Dabei wird die Diffusionszone 31 in der Verbindung 30 und
von dort weiter in die Ausgangsteile 10 und 20 hinein
ausgebildet. Infolge des Konzentrationsgradienten können
sich weitere Materialphasen in der Diffusionszone 31 ausbilden.
So können beispielsweise im Falle von Stahl und Hartmetall als
Materialien der Ausgangsteile 10, 20 sogenannte η-Phasen
(M6C bzw. M12C)
gebildet werden. Derartige Phasen sind jedoch sehr spröde
und können die mechanischen Eigenschaften der Verbindung 30 verschlechtern.
Deshalb wird eine sehr schmale Diffusionszone 31 angestrebt,
um die Bildung dieser Phasen gering zu halten oder zu vermeiden.
Wie groß sich die Diffusionszone 31 ausbildet,
wird über die Einstellung der Sinterdauer und -temperatur
beeinflusst.
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Neben
den η-Phasen kann sich je nach Zusammensetzung der Materialien
der Ausgangsteile 10, 20 in der Verbindung 30 auch
eine flüssige Phase bilden. Diese führt zwar im
Allgemeinen zu einer vollständigen und porenfreien Anbindung,
allerdings sind diese Schmelzen nach der Erstarrung meist spröde
und daher unerwünscht.
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Generell
sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass
zur Reduzierung von Eigenspannungen im Verbundteil 50 nach
dem Sintervorgang mehrere isotherme Haltestufen während
eines Abkühlvorgangs durchlaufen werden. Derartige Eigenspannungen
können während des Abkühlvorganges bei großen
Unterschieden der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Ausgangsteile 10, 20 entstehen.
So weist Stahl einen thermischen Ausdehnungskoeffizient von ca.
11 – 12·10–6/K
und Hartmetall einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca.
5 – 6·10–6/K
auf. Die radiale Schrumpfung des Ausgangsteiles 10 aus
Stahl, führt hierbei zu Druckeigenspannungen innerhalb
des zweiten aus Hartmetall bestehenden Ausgangsteiles 20.
In erster Linie sind diese Druckspannungen aufgrund der hohen Druckfestigkeit
der Hartmetalle unproblematisch oder sogar günstig. Allerdings
treten auch axiale Spannungen auf, die dann zum Versagen des Hartmetalls
führen können. Mehrere isotherme Haltedauern während
des Abkühlvorgangs wirken sich entsprechend günstig
auf eine Reduzierung der Eigenspannungen aus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10104632
C2 [0006]
- - EP 630713 A1 [0007]
- - EP 810051 A1 [0007]
- - EP 1625896 A1 [0008]