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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlformteils
unter Verwendung eines Sinterpulvers auf Eisenbasis, das zumindest
ein Nichteisenmetall enthält, das ausgewählt aus
einer Gruppe umfassend Mangan, Chrom, Silizium, Molybdän,
Kobalt, Vanadium, Bor, Beryllium, Nickel und Aluminium und den Rest
Eisen mit den unvermeidlichen, herstellungsbedingten Verunreinigungen
bildet, umfassend die Schritte Bereitstellung des Sinterpulvers,
Verdichtung des Sinterpulvers zu einem Grünling in einer
Form, Sintern des Grünlings unter reduzierender Atmosphäre
mit anschließender Abkühlung und Härtung,
sowie einen Sinterformteil mit einem Formteilkörper zumindest
teilweise bestehend aus einem Sinterpulver auf Eisenbasis, das zumindest
ein Nichteisenmetall enthält, das ausgewählt ist aus
einer Gruppe umfassend Mangan, Chrom, Silizium Molybdän,
Kobalt, Vanadium, Bor, Beryllium, Nickel und Aluminium und den Rest
Eisen mit den unvermeidlichen, herstellungsbedingten Verunreinigungen
bildet.
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Zur
Vermeidung von Verwindungen bzw. Deformationen bei der Abschreckung
von metallischen Bauteilen mit Wasser oder Öl schlägt
die
DE 11 2004 001
875 T5 ein Verfahren zur Herstellung eines dünnen
Einzelteils vor, umfassend die Schritte der Erwärmung des
dünnen Einzelteils und anschließender Durchführung
eines abschreckungs- und isothermen Umwandlungsprozesses an dem
dünnen Einzelteil während einer Größenfestlegung
mit Pressformen unter Verwendung der Pressformen als Kühlmittel des
dünnen Einzelteils. Bevorzugt werden damit Stahlbauteile
hergestellt die wenigstens 0,4 Gew.-% Kohlenstoff enthalten. Durch
isothermes Halten wird die Gefügestruktur in eine Bainitstruktur
umgewandelt. Es wird ein nickelkohlenstoffhaltiger Stahl S53C und
ein Stahl mit einer Zusammensetzung der in der Abschreckeigenschaft
verbessert ist und der eine ausreichende Härte durch langsames
Abkühlen erreichen kann benutzt, wobei dieser Stahl 0,7
Gew.-% Kohlenstoff, 1 Gew.-% Silizium, 0,6 Gew.-% Mangan, 1,5 Gew.-%
Chrom und 0,3 Gew.-% Molybdän enthält. Diese DE-T5
beschreibt auch eine Martensitumwandlung durch kontinuierliche Kühlabschreckung, jedoch erfolgt
darauf eine Temperierung bei 150°C für 120 Minuten.
Die Bainitstruktur ist die bevorzugte, da gemäß den
Ausführungen in dieser DE-T5 im Vergleich zu einer Martensitstruktur
daraus sich eine geringere Abschreckverwindung ergibt, die Zähigkeit ohne
Durchführung einer Temperierung erreicht wird und eine
sekuläre Dimensionsänderung unterdrückt wird.
Das Verfahren nach der DE-T5 hat den Nachteil, dass entweder die
Pressformen nach der Härtung der Bauteile über
einen längeren Zeitraum luftgekühlt werden müssen
bzw. eine Temperierung der Form selbst erforderlich ist, womit ein
höherer Aufwand für die Herstellung der Form sowie
deren Betrieb erforderlich ist.
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Die
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
gehärteter Präzisions-Sinterbauteile bzw. einen
damit hergestellten Sinterbauteils selbst bereit zu stellen.
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Diese
Aufgabe der Erfindung wird durch das eingangs genannte Verfahren,
bei dem der Anteil der Nichteisenmetalle am Sinterpulver ausgewählt
wird aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 Gew.-% und
einer oberen Grenze von 60 Gew.-% und das Sinterpulver zumindest
annähernd vollständig zu einem austenitischen
Gefüge gesintert wird und die Härtung durch mechanische
Beanspruchung des Stahlformteils unter zumindest teilweiser Umwandlung
des austenitischen in ein martensitisches Gefüge durchgeführt
wird sowie unabhängig davon durch den Sinterformteil, bei
dem der Gesamtanteil des zumindest einen Nichteisenmetalls am Sinterpulver
ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 1 Gew.-% und einer oberen Grenze von 60 Gew.-% und der Formteilkörper
zumindest an der Oberfläche oder im oberflächennahen
Bereichen bzw. im Oberflächenbereichen mit höherer
Belastung ein durch Umformung hergestelltes martensitisches Gefüge
aufweist, gelöst.
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Normalerweise
gehört zum Verfahrensablauf zur Herstellung hoch präzisier
Sinterbauteile, dass nach dem Sintern eine nicht spanende Nachbehandlung,
bspw. durch Kalibrieren, durchgeführt wird. Dazu werden
diese Sinterbauteile in eine Kalibriermatrize eingelegt und mittels
Druck auf die endgültige Form umgeformt. Das erfindungsgemäße
Verfahren bietet dabei den Vorteil, dass mit dieser Kalibrierung
bzw. diesem mechanischen Umformen gleichzeitig die Oberflächenhärtung
durchgeführt wird, sodass im Verfahrensablauf ein zusätzlicher
Verfahrensschritt für die Härtung eingespart werden
kann. Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass die Härtung ohne
zusätzliche Temperaturbelastung des Bauteils durchgeführt
werden kann, wodurch unerwünschte Rekristallisationserscheinungen
vermieden werden können. Zudem ist damit auch ein entsprechender Kostenvorteil
einerseits durch die Verkürzung der Taktzeiten und andererseits
durch die Reduzierung der Temperaturbehandlungen erzielbar. Es ist
dabei auch nicht erforderlich, die Matrize bzw. das Werkzeug in
dem diese Martensitumwandlung durch mechanische Beanspruchung, insbesondere
Druck, durchgeführt zu temperieren bzw. zu kühlen,
da ein Bauteilverzug ohnehin aufgrund der Anlage der Bauteiloberflächen
an die Werkzeugoberflächen nicht möglich ist.
Es können also mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren auch Sinterbauteile mit komplexer Geometrie ohne Bauteilverzug
hergestellt werden.
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Der
Summenanteil des zumindest einen Nichteisenmetalles an dem Sinterpulver
auf Eisenbasis kann auch ausgewählt werden aus einem Bereich mit
einer unteren Grenze von 5 Gew.-% und einer oberen Grenze von 55
Gew.-% bzw. ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren
Grenze von 18 Gew.-% und einer oberen Grenze von 27 Gew.-%.
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Zur
Beschleunigung der martensitischen Umwandlung kann die mechanische
Beanspruchung bei einem Druck durchgeführt werden, der
dem Druck aus dem Intervall von –10% der Druckgrenze und
der maximalen Druckfestigkeit des jeweiligen Werkstoffes entspricht
(gemessen gemäß DIN 50106) und/oder
bei einer Temperatur, die ausgewählt ist aus einem Bereich
mit einer unteren Grenze von 20°C (Raumtemperatur) und
einer oberen Grenze von 180°C für kalt beanspruchte
Sinterformteile oder die ausgewählt ist aus einem Bereich
mit einer unteren Grenze von 180°C und einer oberen Grenze von
550°C für warm beanspruchte Sinterformteile. Es kann
also damit eine weitere Verkürzung der Taktzeit erreicht
werden, wodurch die Produktivität gesteigert werden kann.
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Der
Druck, mit dem die mechanische Beanspruchung des gesinterten Bauteils
durchgeführt wird, kann insbesondere auch ausgewählt
sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze, die dem Druck bei –10%
der Druckgrenze, und einer oberen Grenze, die dem Druck bei +30%
der Druckgrenze des jeweiligen Werkstoffes entspricht (gemessen
gemäß DIN 50106) bzw. aus einem
Bereich mit einer unteren Grenze, die dem Druck bei –5%
der Druckgrenze, und einer oberen Grenze, die dem Druck bei +20%
der Druckgrenze des jeweiligen Werkstoffes entspricht (gemessen
gemäß DIN 50106).
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Weiters
kann die Temperatur während der kalten mechanischen Beanspruchung
insbesondere auch ausgewählt sein aus einem Bereich mit
einer unteren Grenze von 40°C und einer oberen Grenze von
150°C bzw. aus einem einer unteren Grenze von 60°C
und einer oberen Grenze von 100°C.
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Die
Temperatur während der warmen mechanischen Beanspruchung
kann insbesondere auch ausgewählt sein aus einem Bereich
mit einer unteren Grenze von 200°C und einer oberen Grenze
von 500°C bzw. aus einem einer unteren Grenze von 250°C
und einer oberen Grenze von 350°C.
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Gemäß einer
Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der reduzierenden
Atmosphäre für das Sintern ein Aufkohlungsgas
zugesetzt wird oder als reduzierende Atmosphäre ein Aufkohlungsgas
verwendet wird. Es kann damit während des Sinterns der
Kohlenstoffgehalt zumindest in oberflächennahen Bereichen
des Grünlings erhöht werden, wodurch die spätere
Martensitbildung begünstigt wird.
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Dabei
kann es ggf. von Vorteil sein, wenn der Sinterprozess an sich in
zwei Stufen durchgeführt wird, nämlich in Form
eines so genannten Vorsinterns, welches bei einer Temperatur erfolgt,
die unterhalb der Temperatur des zweiten Sinterschrittes erfolgt
und daran anschließend ein so genanntes Hochtemperatursintern
durchgeführt wird. Es können damit höhere
Kohlenstoffgehalte realisiert werden, ohne die Gefahr eines Sprödbruches
beim härtenden Umformen, sodass generell eine höhere
Festigkeit des Sinterbauteils erzielbar ist. Die Temperatur des Vorsinterns
kann dabei beispielsweise ausgewählt werden aus einem Bereich
mit einer unteren Grenze von 60% und einer oberen Grenze von 80%
der Temperatur des zweiten Sinterschrittes. Beispielsweise kann
das Vorsintern bei einer Temperatur durchgeführt werden,
die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren
Grenze von 600°C und einer oberen Grenze von 1000°C
und das Hochtemperatursintern bei einer Temperatur, die ausgewählt
ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1100°C und
einer oberen Grenze von 1450°C.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Stahlformteil mit einer Dichte von max. 7,3 g/cm3 zumindest im Kern hergestellt wird. Es
ist damit eine Optimierung der Eigenschaften des Stahlformteils
erzielbar, indem dieser einerseits im Kern eine gewisse Restelastizität
aufweist, wohingegen oberflächennahe Bereiche aufgrund
der Umformhärtung eine entsprechende mechanische Festigkeit
aufweisen. Zum anderen ist es damit möglich, das Gewicht
des Stahlformteils zu reduzieren. Mit oberflächennahen
Bereichen sind jene Bereiche gemeint, die bis in eine Bauteiltiefe
von 0,5 mm reichen.
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Anstelle
oder zusätzlich zum Aufkohlungsgas ist es von Vorteil für
die Erhöhung des Kohlenstoffanteils im Sinterpulver wenn
dem Sinterpulver Grafit in einem Anteil zugesetzt wird, der ausgewählt ist
aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,1 Gew.-% und einer
oberen Grenze von 5 Gew.-%. Es wird damit wiederum die zumindest
annähernd vollständige martensitische Umwandlung
zumindest in oberflächennahen Bereichen unterstützt.
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Der
Graphitanteil kann insbesondere auch ausgewählt sein aus
einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,1 Gew.-% und einer
oberen 3 Gew.-% bzw. einem Bereich mit einer unteren Grenze von
0,5 Gew.-% und einer oberen Grenze von 2 Gew.-%.
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Zur
Erreichung höherer Dichten bereits im Grünling
ist es von Vorteil, wenn dem Eisenbasispulver bis zu 8 Gew.-% Presshilfsmittel
und/oder bis zu 2 Gew.-% eines, insbesondere organischen Bindemittels
zugesetzt werden. Es wird damit weiters erreicht, dass durch das
Ausbrennen dieser Hilfsmittel beim Sintern bzw. während
des Vorsinterns eine höhere Porigkeit des gesinterten Bauteils
erzeugt wird, die das Nachverdichten während des Kalibrierens vereinfacht.
Insbesondere kann damit das Verpressen von an sich schwer verpressbaren
Sinterpulvern, wie chromhaltigen Stahlpulvern, vereinfacht werden. Oberhalb
von in Summe 10 Gew.-% Hilfsstoffe kann die Porigkeit zu groß werden,
wodurch unter Umständen geringere Enddichten des fertigen
Sinterbauteils erreicht werden können.
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Der
Anteil des Presshilfsmittels kann dabei insbesondere auch bis zu
max. 2,5 Gew.-% bzw. bis zu max. 1,5 Gew.-% und der Anteil an Bindemittel
bis zu max. 0,75 Gew.-% bzw. max. 0,5 Gew.-% betragen.
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Einerseits
zur Kostenreduzierung andererseits zur Eigenschaftsoptimierung bzw.
zur Herstellung von Sinterbauteilen mit gegensätzlichen
Eigenschaften der verwendeten Rohstoffe kann das Verfahren derart
durchgeführt werden, dass in die Form ein zusätzliches
Sinterpulver eingefüllt wird und gemeinsam mit dem Sinterpulver
auf Eisenbasis verpresst wird, bzw. gemäß einer
anderen Ausführungsvariante des Verfahrens, dass in einem
ersten Schritt ein Halbfertigformteil hergestellt wird, dieser in
die Pressform eingelegt wird und zumindest bereichsweise mit dem
Stahlpulver auf Eisenbasis beschichtet wird, z. B. auch durch Spritzen,
und gemeinsam mit dem Stahlpulver auf Eisenbasis gesintert wird, oder
gemäß einer weiteren Ausführungsvariante dass
in einem ersten Schritt ein Halbfertigformteil aus dem Sinterpulver
auf Eisenbasis hergestellt wird und das Halbfertigformteil in einem
weiteren Schritt mit einem weiteren Fertigformteil aus einem zum
Sinterpulver des ersten Halbfertigformteils unterschiedlichen Sinterpulver
gefügt wird. Es ist damit möglich, gezielt jene
Oberflächen, die einer höheren Belastung in der
Verwendung des Sinterbauteils unterliegen mit dem Sinterpulver auf
Eisenbasis zu beschichten und anschließend durch martensitische Umwandlung
zu härten, also eine gezielte Eigenschaftsanpassung an
die jeweiligen Erfordernisse an dem Bauteil möglich.
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Zum
besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der
detaillierten Beschreibung sowie der Beispiele näher erläutert.
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Einführend
sei festgehalten, dass Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen
aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen
für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße
Lösungen darstellen können.
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Sämtliche
Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung
sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche
daraus mit umfassen, z. B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen,
dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren
Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d. h. sämtliche
Teilbereich beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer
und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z. B. 1 bis
1,7, oder 3,2 bis 8,1 oder 5,5 bis 10.
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Wie
bereits einführend erwähnt betrifft die Erfindung
die Herstellung von Bauteilen aus Sinterstahl aus einem austenitischen
Werkstoff welcher bei Umformung Martensit bildet und somit härtet.
Dabei kann die Oberfläche verdichtet werden, es können aber
auch Bauteile hergestellt werden, die keine Oberflächenverdichtung
erfahren, bzw. kann die Oberflächendichte auch verringert
werden. Vorzugsweise ist die Oberfläche jedoch verdichtet.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren erschließen
sich neue Möglichkeiten in der Formgebung von hochpräzisen, hochbelastbaren
Sinterbauteilen. Dabei sind mehrere Verfahrensvarianten für
die Herstellung des Presslings möglich.
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So
können ganzen Bauteile aus dem Sinterpulver auf Eisenbasis
gepresst werden.
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Darüber
hinaus ist es auch möglich so genannte Bauteil-Composits
herzustellen. Dazu können beispielsweise zumindest zwei
oder mehrere unterschiedliche Sinterpulvermischungen nacheinander
in die Pressmatrize gefüllt und dann gemeinsam verpresst
werden, oder es wird durch mehrstufiges Pulverpressen ein Bauteil-Composit
hergestellt, indem z. B. ein halbfertiges Bauteil aus einem zum
Sinterpulver auf Eisenbasis unterschiedlichen Sinterpulver gepresst
und gegebenenfalls auch gesintert wird, und dann in einem weiteren
Pressschritt das Sinterpulver auf Eisenbasis dazugepresst und dann
gemeinsam gesintert.
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Eine
weitere Möglichkeit zur Herstellung von Bauteil-Composits
besteht darin, dass aus dem weiteren Sinterpulver endkonturnahe
Grünlinge durch Pulverpressen in Form gebracht hergestellt
werden, die gegebenenfalls auch gesintert werden, und anschließend
durch Beschich tungs- oder Sprühverfahren, welche aus dem
Stand der Technik bekannt sind, das Sinterpulver auf Eisenbasis
zumindest in jenen Bereichen des Stahlbauteils bzw. des Sinterformteils aufgebracht
wird, die in der Verwendung des Bauteils einer erhöhten
Belastung unterliegen, und dieser beschichtete, gegebenenfalls gesinterte
Grünling anschließend gesintert wird. Selbstverständlich
besteht in diesem Fall die Möglichkeit, dass die gesamte Oberfläche
des Grünlings mit dem Pulver auf Eisenbasis beschichtet
wird. Anstelle des endkonturnahen Grünlings kann aber auch
ein Halbfertigteil aus einem Vollmaterial, das nicht nach einem
Sinterverfahren hergestellt ist, sondern beispielsweise durch ein Guss-
oder Stanzverfahren, verwendet werden.
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Es
ist aber auch möglich, zwei oder mehrere in getrennten
Arbeitsgängen gepresste Bauteile mittels bekannter Verfahren
zu fügen, wie z. B. mittels Sinterfügen, Sinter-Lötverbinden
oder ähnlichem. Beim Sinterfügen besteht die Möglichkeit
zwei Grünlinge oder zwei gesinterte Teile miteinander zu
fügen oder einen gesinterten Bauteil mit einem Grünling
zu fügen, wobei auch mehr als zwei Teile gefügt
werden können, und in diesem Fall die Aufzählung
der Möglichkeiten für zwei Teile entsprechend
adaptiert anzuwenden ist. Jedenfalls besteht zumindest einer der beiden
oder mehreren zu fügenden Teile zumindest teilweise aus
dem Sinterpulver auf Eisenbasis bzw. ist daraus hergestellt.
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Es
sei angemerkt, dass das weitere Sinterpulver ebenfalls ein Sinterpulver
auf Eisenbasis sein kann, in diesem Fall aber eine unterschiedliche
Zusammensetzung aufweist. Daneben können als weiteres Sinterpulver
aber auch die aus dem Stand der Technik bekannten Sinterpulver verwendet
werden, beispielsweise auf Basis von Cu, wie z. B. Bronzen.
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Mittels
angepasster Sinterung bildet sich in den Bereichen mit dem Sinterpulver
auf Eisenbasis das bei mechanischer Belastung härtende
Gefüge aus. Der Härtungseffekt beruht darauf,
dass nach dem Sintern weiches, hauptsächlich austenitisches Gefüge
vorliegt, welches durch Einbringung von mechanischer Belastung,
insbesondere Druck, und der daraus resultierenden Umformung mit
Umwandlung in martensitisches Gefüge reagiert. Durch diese
Gefügeumwandlung kommt es zur Härtung des umgeformten
Bereichs. Die Umformung kann auf verschiedenem Weg eingebracht werden,
beispielsweise durch Querverdichten (Querwalzen) oder durch Axialverdichten
(Axialwalzen) oder durch ein oder mehrstufiges Nachpressen (z. B.
Kalibrieren)
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Verschiedenste
Nachbearbeitungsverfahren sind möglich.
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Allgemeine Prozessbeschreibung:
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1.) Pulvermischen
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Für
Bauteil-Composits aus weiteren Sinterpulvern kann diese Pulvermischung
der nichtumformhärtenden Bauteilabschnitte dem Stand der Technik
entsprechend hergestellt werden. Dazu können beispielsweise
eisenbasierende Pulvermischungen mit insgesamt bis zu 10 Gew.-%
metallischer Nichteisen-Legierungselemente, gegebenenfalls bis zu
5 Gew.-% Grafit und/oder gegebenenfalls bis zu 3 Gew.-% Presshilfsmittel
und gegebenenfalls bis zu 0,5 Gew.-% organischem Binder verwendet
werden. Diese Mischungen werden beispielsweise konventionell aus
Reineisenpulver bzw. vor- oder anlegierten Eisenpulvern als Basismaterial
unter Zugabe von Legierungselementen und gegebenenfalls weiteren Hilfsstoffen
hergestellt. Oder es werden so genannte Muttermischung in hochkonzentrierter
Form, eventuell auch unter Einsatz von Temperatur und/oder Lösungsmitteln,
vorgemischt und anschließend mit Eisenpulver vermengt oder
durch Zugabe der einzelnen Bestandteile direkt ins Eisenpulver vermischt.
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Als
Bindemittel können Harze, Silane, Öle, Polymere
oder Kleber verwendet werden. Presshilfsmittel sind u. a. Wachse,
Stearate, Silane, Amide, Polymere.
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Durch
weitere Nichteisen-Legierungselemente, wie bspw. Chrom, Kupfer,
Nickel, Mangan, Silizium, Molybdän und Vanadium, können
die Eigenschaften derartiger Eisenbasispulver-Sinterbauteile entsprechend
verbessert werden, wie dies aus dem Stand der Technik für
Stähle bereits bekannt ist. So kann z. B. durch das Zulegieren
von Molybdän die Anlasssprödigkeit von Chromstählen
vermieden werden. Es werden damit die Härtbarkeit und die
Zähigkeit verbessert. Darüber hinaus kann die
Kriechbeständigkeit bei höheren Temperaturen gesteigert werden.
Durch Nickel kann die Kaltumformbarkeit verbessert werden. Mittels
Mangan kann die Zugfestigkeit und die Streckgrenze verbessert werden.
Mit Hilfe von Silizium kann während des Anlassens die Ausscheidung
von Zementit aus dem Martensit verhindert werden.
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Da
die prinzipielle Wirkung dieser Legierungselemente an sich aus dem
Stand der Technik bekannt ist, erübrigt sich eine weitere
Erörterung an dieser Stelle.
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Der
Anteil an Nichteisen-Legierungselemente kann auch ausgewählt
sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,2 Gew.-% und
einer oberen Grenze von 8 Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich
mit einer unteren Grenze von 1 Gew.-% und einer oberen Grenze von
6 Gew.-%.
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Dabei
kann Kupfer in einem Anteil enthalten sein, der ausgewählt
ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0 Gew.-% und
einer oberen Grenze von 6 Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich
mit einer unteren Grenze von 0,1 Gew.-% und einer oberen Grenze
von 4 Gew.-%, vorzugsweise aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 0,2 Gew.-% und einer oberen Grenze von 2 Gew.-%.
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Der
Anteil an Chrom kann ausgewählt sein aus einem Bereich
mit einer unteren Grenze von 0 Gew.-% und einer oberen Grenze von
5 Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 0,1 Gew.-% und einer oberen Grenze von 4 Gew.-%, vorzugsweise
aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,2 Gew.-% und einer
oberen Grenze von 3 Gew.-%.
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Der
Anteil an Nickel kann ausgewählt sein aus einem Bereich
mit einer unteren Grenze von 0 Gew.-% und einer oberen Grenze von
8 Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 0,1 Gew.-% und einer oberen Grenze von 4 Gew.-%, vorzugsweise
aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,2 Gew.-% und einer
oberen Grenze von 2 Gew.-%.
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Der
Anteil an Mangan kann ausgewählt sein aus einem Bereich
mit einer unteren Grenze von 0 Gew.-% und einer oberen Grenze von
10 Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 0,1 Gew.-% und einer oberen Grenze von 5 Gew.-%, vorzugsweise
aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,2 Gew.-% und einer
oberen Grenze von 2 Gew.-%.
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Der
Anteil an Molybdän kann ausgewählt sein aus einem
Bereich mit einer unteren Grenze von 0 Gew.-% und einer oberen Grenze
von 3 Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 0,1 Gew.-% und einer oberen Grenze von 1,5 Gew.-%, vorzugsweise
aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,2 Gew.-% und einer oberen
Grenze von 0,85 Gew.-%.
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Der
Anteil an Silizium kann ausgewählt sein aus einem Bereich
mit einer unteren Grenze von 0 Gew.-% und einer oberen Grenze von
5 Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 0,1 Gew.-% und einer oberen Grenze von 2 Gew.-%, vorzugsweise
aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,2 Gew.-% und einer
oberen Grenze von 0,5 Gew.-%.
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Der
Anteil an Vanadium kann ausgewählt sein aus einem Bereich
mit einer unteren Grenze von 0 Gew.-% und einer oberen Grenze von
8 Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 0,1 Gew.-% und einer oberen Grenze von 2 Gew.-%, vorzugsweise
aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,2 Gew.-% und einer
oberen Grenze von 0,5 Gew.-%.
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Der
Anteil an Grafit kann auch ausgewählt sein aus einem Bereich
mit einer unteren Grenze von 0 Gew.-% und einer oberen Grenze von
2 Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 0,1 Gew.-% und einer oberen Grenze von 1,5 Gew.-%, vorzugsweise
aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,2 Gew.-% und einer oberen
Grenze von 0,8 Gew.-%.
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Typische
Mischungen sind beispielsweise:
- • Fe
(mit 0,85 Gew.-% Mo vorlegiert) + 0,1 Gew.-% – 0,3 Gew.-%
C + 0,4 Gew.-% – 1,0 Gew.-% Presshilfsmittel und eventuell
Bindemittel
- • Fe + 1 Gew.-% – 3 Gew.-% Cu + 0,5 Gew.-% – 0,9
Gew.-% C + 0,3 Gew.-% – 0,8 Gew.-% Presshilfsmittel und
eventuell Bindemittel
- • Astaloy CrM (Cr + Mo vorlegiertes Eisenpulver) +
1 Gew.-% – 3 Gew.-% Cu + 0,1 Gew.-% – 1 Gew.-%
C + 0,3 Gew.-% – 1,0 Gew.-% Presshilfsmittel und eventuell
Bindemittel.
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Es
sind aber auch alle weiteren, in der Sintertechnik üblichen
Zusammensetzungen möglich.
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Das
umformhärtende Sinterpulver auf Eisenbasis oder die entsprechenden
Legierungen werden mittels konventioneller Mischtechniken gemischt.
Es ist bei der Herstellung auf die Eigenheiten in den Eigenschaften
der hochlegierten Pulver Rücksicht zu nehmen, insbesondere
darauf, dass es sich bei den Materialien um sehr harte, schlecht
bzw. nicht mehr verpressbare Werkstoffe handelt. Es können
entweder Ferro-Legierungen mit einem Gehalt von bis zu zumindest
annähernd 60 Gew.-% an einem oder mehreren Legierungselementen
der Gruppe Mn, Cr, Si, Mo, Co, V, B, Be, Ni und Al verwendet werden. Oder
aber es werden wasser-, gas- oder ölverdüste Eisenbasispulver
unter Zumischung derartig hoher Gehalte an einem oder mehreren Elementen
der Gruppe Mn, Cr, Si, Mo, Co, V, B, Be, Ni und Al verwendet.
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Der
Gesamtgehalt an diesen Nichteisenmetall an dem Sinterpulver auf
Eisenbasis kann insbesondere auch ausgewählt sein aus einem
Bereich mit einer unteren Grenze von 15 Gew.-% und einer oberen
Grenze von 55 Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren
Grenze von 20 Gew.-% und einer oberen Grenze von 50 Gew.-%, bzw.
aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 25 Gew.-% und einer
oberen Grenze von 40 Gew.-%.
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Dabei
kann der Anteil an Mangan an der zum Pressen fertigen Sinterpulvermischung
auf Eisenbasis ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer
unteren Grenze von 0 Gew.-% und einer oberen Grenze von 35 Gew.-%,
insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 5 Gew.-%
und einer oberen Grenze von 25 Gew.-%, bzw. aus einem Bereich mit einer
unteren Grenze von 10 Gew.-% und einer oberen Grenze von 15 Gew.-%.
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Der
Anteil an Chrom an der zum Pressen fertigen Sinterpulvermischung
auf Eisenbasis kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit
einer unteren Grenze von 0 Gew.-% und einer oberen Grenze von 20
Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 4 Gew.-% und einer oberen Grenze von 15 Gew.-%, bzw. aus einem
Bereich mit einer unteren Grenze von 7 Gew.-% und einer oberen Grenze
von 12 Gew.-%.
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Der
Anteil an Silizium an der zum Pressen fertigen Sinterpulvermischung
auf Eisenbasis kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit
einer unteren Grenze von 0 Gew.-% und einer oberen Grenze von 10
Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 1 Gew.-% und einer oberen Grenze von 8 Gew.-%, bzw. aus einem
Bereich mit einer unteren Grenze von 3 Gew.-% und einer oberen Grenze
von 6 Gew.-%.
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Der
Anteil an Molybdän an der zum Pressen fertigen Sinterpulvermischung
auf Eisenbasis kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit
einer unteren Grenze von 0 Gew.-% und einer oberen Grenze von 10
Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 2 Gew.-% und einer oberen Grenze von 8 Gew.-%, bzw. aus einem
Bereich mit einer unteren Grenze von 4 Gew.-% und einer oberen Grenze
von 6 Gew.-%.
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Der
Anteil an Kobalt an der zum Pressen fertigen Sinterpulvermischung
auf Eisenbasis kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit
einer unteren Grenze von 0 Gew.-% und einer oberen Grenze von 10
Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 1 Gew.-% und einer oberen Grenze von 7 Gew.-%, bzw. aus einem
Bereich mit einer unteren Grenze von 2,5 Gew.-% und einer oberen
Grenze von 5 Gew.-%.
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Der
Anteil an Vanadium an der zum Pressen fertigen Sinterpulvermischung
auf Eisenbasis kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit
einer unteren Grenze von 0 Gew.-% und einer oberen Grenze von 10
Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 2,4 Gew.-% und einer oberen Grenze von 8,1 Gew.-%, bzw. aus
einem Bereich mit einer unteren Grenze von 3,2 Gew.-% und einer oberen
Grenze von 6,5 Gew.-%.
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Der
Anteil an Bor an der zum Pressen fertigen Sinterpulvermischung auf
Eisenbasis kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer
unteren Grenze von 0 Gew.-% und einer oberen Grenze von 5 Gew.-%,
insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 Gew.-%
und einer oberen Grenze von 4 Gew.-%, bzw. aus einem Bereich mit einer
unteren Grenze von 2 Gew.-% und einer oberen Grenze von 3 Gew.-%.
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Der
Anteil an Beryllium an der zum Pressen fertigen Sinterpulvermischung
auf Eisenbasis kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit
einer unteren Grenze von 0 Gew.-% und einer oberen Grenze von 5
Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 1,5 Gew.-% und einer oberen Grenze von 4,3 Gew.-%, bzw. aus
einem Bereich mit einer unteren Grenze von 2,3 Gew.-% und einer
oberen Grenze von 3,8 Gew.-%.
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Der
Anteil an Nickel an der zum Pressen fertigen Sinterpulvermischung
auf Eisenbasis kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit
einer unteren Grenze von 0 Gew.-% und einer oberen Grenze von 35
Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 5 Gew.-% und einer oberen Grenze von 25 Gew.-%, bzw. aus einem
Bereich mit einer unteren Grenze von 10 Gew.-% und einer oberen
Grenze von 15 Gew.-%.
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Der
Anteil an Aluminium an der zum Pressen fertigen Sinterpulvermischung
auf Eisenbasis kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit
einer unteren Grenze von 0 Gew.-% und einer oberen Grenze von 10
Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 2 Gew.-% und einer oberen Grenze von 7,8 Gew.-%, bzw. aus einem
Bereich mit einer unteren Grenze von 3,9 Gew.-% und einer oberen
Grenze von 6,2 Gew.-%.
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Geeignete
Mischungen sind beispielsweise:
18 Gew.-% Mn + 2,5 Gew.-% Al
+ 3,5 Gew.-% Si + 0,5 Gew.-% V + 0,3 Gew.-% B, Rest Fe
oder
24
Gew.-% Mn + 3 Gew.-% Al + 2,5 Gew.-% Si, Rest Fe
oder
14
Gew.-% Mn, 5 Gew.-% Ni + 3 Gew.-% Al + 3 Gew.-% Si, Rest Fe.
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Diese
Mischungen werden mit entsprechenden Mischmethoden der Pulvermetallurgie
vermengt und homogenisiert. Es ist auch möglich, die aus
dem Stand der Technik bekannte Bindemittelprozesstechnik oder den
bekannten Prozess des Diffusionslegierens zur gleichmäßigeren
Verteilung speziell feiner Pulveranteile zu verwenden.
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2) Pressen
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Die
nach voranstehend genannten Verfahren hergestellten Eisenpulvermischungen
werden durch koaxiale Pressverfahren verdichtet und in Form gebracht.
Hierbei ist darauf zu achten, dass die während der nachfolgenden
Prozessschritte entstehenden Form- und Gestaltsänderungen
bei der Herstellung der Presswerkzeuge bereits berücksichtigt
sind. Je nach Schüttdichte und theoretischer Dichte der Pulvermischungen
werden Pressdrücke von 600 MPa bis 1200 MPa angewandt.
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Zur
Herstellung von Bauteil-Composits aus herkömmlichen Pulvern
mit Segmenten bzw. Bereichen, welche aus umformhärtenden
Legierungen bestehen ist es möglich Doppel- oder Mehrpulverfülltechniken
zu verwenden. Bei diesen Methoden gelingt es verschiedene Pulver
in unterschiedlichen Bereichen des Werkzeugs einzubringen und dann
gemeinsam durch Pulverpressen in Form zu bringen. Es ist auch möglich
mit Hilfe derartiger Methoden gesinterte Bauteile in das Pulverpresswerkzeug
einzulegen und dann mit Pulver zu „umpressen”.
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Die
auf diese unterschiedlichen Weisen gewonnenen Presslinge (auch Grünlinge
genannt) sind Ausgang für die anschließenden Prozessschritte.
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Anstelle
der koaxialen Pressverfahren können auch andere Pressverfahren
angewandt werden, wie sie in der Sintertechnologie üblich
sind, also z. B. auch isostatische Pressverfahren, etc.,
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3.) Entwachsen + Sintern
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Die
Presslinge können durch thermische Behandlung und gegebenenfalls
unter Einwirkung von zumindest teilweise aufkohlenden Atmosphärengasen
vorgesintert werden. Hierbei werden reduzierende Atmosphären
durch Verwendung von Stickstoff-Wasserstoff-Gemische mit bis zu
50 Vol.-% Wasserstoffanteil erreicht. Der Wasserstoffgehalt kann
auch einen Anteil von 0 Vol.-% bis 100 Vol.-% oder 1 Vol.-% bis
60 Vol.-% oder 2 Vol.-% bis 40 Vol.-% aufweisen.
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Optional
können auch Aufkohlungsgase (Endogas, Methan, Propan, u.
dgl.) verwendet werden. Die Temperatur für das Vorsintern
kann beispielsweise zwischen 600°C und 1050°C
betragen, die Vorsinterzeit kann beispielsweise zwischen 10 Minuten
und 2 Stunden betragen.
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Durch
das Vorsintern werden organische Binde- und Schmiermittel ausgebrannt
und ein leichter Sinterverbund zwischen den Partikeln hergestellt. Durch
die unvollständige Auflösung von einzelnen Legierungselementen
kann ein niedrigeres Härteniveau eingestellt werden. Die
Härte des Sinterbauteils kann bevorzugt so eingestellt
werden, dass beim nachfolgenden Verdichtungsprozess (Kalibrieren) hohe
Umformgrade mit bis zu 30% Überhöhe möglich
sind. Insbesondere bei Härte von kleiner als 140 HB 2,5/62,5
konnte eine überraschend hohe Umformbarkeit beobachtet
werden.
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Besonders
sauerstoffaffine Legierungselemente, wie z. B. Cr, sind beim Vorsintern
schwierig zu behandeln. Durch die Wahl der Prozessparameter in den
angegebenen Grenzen kann eine massive Oxidbildung während
dem Vorsintern zumindest großteils vermieden werden, sodass
sich diese nicht negativ auf die Umformbarkeit auswirken.
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Im
vorgesinterten Zustand sind auch Cr-Mo vorlegierte Basispulver besser
kalibrierbar.
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Während
des Vorsinterns kommt es nur beschränkt zur Versinterung
der Pulverkörner, was zur Ausbildung eines eher schwachen
Sinterverbundes führt.
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Durch
eine Vorsintertemperatur unter 1100°C kann zudem erreicht
werden, dass der Graphit nur unvollständig in das Eisenmatrixmaterial
eindiffundiert.
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Die
Temperaturen beim Sintern selbst liegen typischerweise zwischen
1100°C und 1350°C oder höher je nach
verwendetem Legierungssystem, die Sinterzeit beträgt zwischen
10 Minuten und 2 Stunden, insbesondere zwischen 29 Minuten und 60
Minuten.
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Nach
dem Sintern bzw. Vorsintern wird der Sinterbauteil abgekühlt,
wofür bevorzugt eine Abkühlrate eingestellt wird,
die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren
Grenze von 10°C/Minute und einer oberen Grenze von 250°C/Minute, insbesondere
ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze
von 30°C/Minute und einer oberen Grenze von 200°C/Minute,
beispielsweise ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer
unteren Grenze von 50°C/Minute und einer oberen Grenze von
150°C/Minute.
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4.) Martensitische Gefügeumwandlung
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Alle
bekannten Verfahren zur Umformung sind anwendbar, wie dies bereits
voranstehend ausgeführt wurde. In jedem Fall zielt die
Umformung darauf ab das vorwiegend austenitische Gefüge
(welches zumindest in den Randbereichen vorhanden ist) durch die
Umformung zumindest teilweise, vorzugsweise zu zumindest 99%, in
Martensit umzuwandeln.
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Die
mechanische Druckbeanspruchung kann durchgeführt werden
bei einem Druck, der ausgewählt ist aus einem der voranstehend
genannten Bereiche.
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Gegebenenfalls
kann die Umformung auch bei erhöhter Temperatur durchgeführt
werden. Dabei kann die Temperatur für die kalte bzw. warme
Umformung aus den voranstehend genannten Bereichen ausgewählt
werden. Es kann hierzu der gesinterte Bauteil vor der Umformung
erwärmt werden und/oder mit einem temperierten Werkzeug
gearbeitet werden. Es ist auch möglich, dass der Bauteil
nach dem Sintern nicht auf Raumtemperatur abgekühlt wird
sondern auf diese Temperatur zur Umformung, sodass eine zusätzliche
Temperierung des Bauteils bzw. des Werkzeugs nicht erforderlich
ist.
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Durch
die mechanische Beanspruchung des Sinterbauteils sind Oberflächenhärten
zwischen 400 HV5 und 750 HV5 erreichbar.
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5.) Thermochemische Nachbehandlung
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Aufgrund
der hervorragenden Eigenschaften nach dem Umformhärten
sind gewöhnlich keine weiteren Wärmebehandlungen
erforderlich.
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Zusätzlich
ist es aber dennoch möglich, optional eine Wärmebehandlung
zur weiteren Optimierung der Eigenschaften durchzuführen
(z. B. Glühen oder Anlassen). Davor werden die Bauteile
oft thermisch entfettet. Werden sinterhärtende Werkstoffe für
Bauteil-Composits verwendet so kann ein nicht aufkohlendes Verfahren,
wie Induktivhärten, zum Einsatz gelangen.
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6.) Mechanische Bearbeitung
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Alle
aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren der mechanischen Nachbearbeitung
oder Beschichtung sind möglich.
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Beispiel 1: Oberflächenverdichtetes
Zahnrad:
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- Zusammensetzung des Sinterpulvers: 18 Gew.-% Mn + 3,5 Gew.-%
Si + 2,5 Gew.-% Al + 0,5 Gew.-% V + 0,3 Gew.-% B + 1 Gew.-% Presshilfsmittel,
Rest Fe
- Pressdruck zur Herstellung des Grünlings: 800 MPA (6,8
g/cm3 Dichte)
- Temperatur während des Sinterns: 1280°C
- Sinterzeit: 45 Minuten
- Zusammensetzung der reduzierenden Atmosphäre: N2/H2
(60 Vol.-%/40 Vol.-%)
- Oberflächenverdichtung durch Rollen der Verzahnung:
praktisch theoretische Dichte bis in eine Tiefe von 0,5 mm bei einer
Oberflächenhärte > 400 HV-5
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Das
fertige Sinterzahnrad zeigte in vergleichenden dynamischen Tests
bessere Dauerfestig keitseigenschaften als Sinterzahnräder
gleicher Geometrie, die aus konventionellem Sinterpulver gefertigt und
im Anschluss an die Oberflächenverdichtung einsatzgehärtet
wurden.
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Beispiel 2: Oberflächenverdichtetes
Verbund-Kettenrad mit umformungsgehärteter Funktionsoberfläche:
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Auf
einen Grünling aus konventionellem Sinterpulver wird auf
der Funktionsoberfläche eine Schicht aus umformungshärtbarem
Sinterpulver aufgesprüht und durch Sintern ein Verbundbauteil
hergestellt, welches anschließend partiell verdichtet und dabei
in Form gebracht und gehärtet wird.
- Zusammensetzung
des Sinterpulvers für den Basisbauteil: 2 Gew.-% Cu + 0,7
Gew.-% C + 0,8 Gew.-% Presshilfsmittel, Rest Fe
- Pressdruck zur Herstellung des Grünlings: 600 MPa (6,9
g/cm3 Dichte)
- Zusammensetzung des Sinterpulvers für die Funktionsoberfläche:
14 Gew.-% Mn + 5 Gew.-% Ni + 3 Gew.-% Al + 3 Gew.-% Si + 6 Gew.-%
Presshilfsmittel + 2 Gew.-% Bindemittel, Rest Fe
- Schichtdicke des Sinterpulvers für die Funktionsoberfläche
nach dem Aufsprühen: 1,2 mm
- Temperatur während des Sinterns: 1250°C
- Sinterzeit: 45 Minuten
- Zusammensetzung der reduzierenden Atmosphäre: N2/H2
(95 Vol.-%/5 Vol.-%)
- Schichtdicke des Sinterpulvers für die Funktionsoberfläche
nach dem Sintern: 0,5 mm
- Oberflächenverdichtung durch Rollen der Funktionsoberfläche:
praktisch theoretische Dichte bis in eine Tiefe von 0,2 mm bei einer
Oberflächenhärte > 400 HV-5
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Das
fertige Verbund-Kettenrad zeigte gegenüber konventionell
gefertigten Kettenrädern eine deutlich verbesserte Verschleißbeständigkeit.
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Die
Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten
des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei an dieser
Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dar gestellten
Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist,
sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten
und der Beschreibung möglich sind und diese Variationsmöglichkeit
aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche
Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen
Fachmannes liegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 112004001875
T5 [0002]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - DIN 50106 [0007]
- - DIN 50106 [0008]
- - DIN 50106 [0008]