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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils geringer Dichte.
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Derartige Formteile niedriger Dichte, das heißt mit einer hohen Porösität bestehen allgemein wenigstens teilweise aus Metallpulvern und werden üblicherweise durch Schüttsintern hergestellt. Hierbei werden vor allem sphärische Metallpulver verwendet. Beispiele derartiger Sinterformteile sind Schalldämpfer aus Bronze oder Messing, die für die Drucklufttechnik eingesetzt werden. Weiterhin sind auch Schüttsinterungen von Stahlpulvern im Bereich der Katalysatortechnik bekannt. Hier kommen typischerweise druckluftverdüste Metallpulver mit sehr definierten Partikelgrößen zum Einsatz.
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Um die Schüttung zu stabilisieren sind Formen oder Kavitäten notwendig, die das Schüttgut bis zur Versinterung während einer Wärmebehandlung in Form halten. Problematisch hierbei ist eine exakte Formgebung der herzustellenden Sinterformteile. Weiterhin ist nachteilig, dass die Formgebung der Sinterformteile stark eingeschränkt ist.
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Generell ist es bekannt, die Metallpulver oder das Schüttgut zuerst in einem Pressvorgang zu pressen und danach zu sintern. Mit diesem Verfahren können jedoch nur Dichten der Formteile bis etwa 5 g/cm3 realisiert werden. Geringere Dichten können nicht erzielt werden, da die Grünfestigkeit der gepressten Grünkörper nicht mehr ausreicht. Dies bedeutet, dass es bei diesen Grünkörpern während deren Handhabung zu Rissbildungen kommt oder die Grünkörper sogar komplett verfallen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels dessen Formteile mit sehr geringen Dichten und gleichzeitig frei wählbarer Formgebung hergestellt werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines Formteils niedriger Dichte aus einem ein Metallpulver enthaltenden Basismaterial und umfasst folgende Verfahrensschritte:
- • Zugabe eines ein Phenolharz enthaltenden flüssigen Bindemittels zu dem Basismaterial und Erzeugen einer Mischung dieser Komponenten.
- • Pressen der Mischung zu einem Pressling
- • Erstarren des Bindemittels durch eine chemische Reaktion, insbesondere eine pH-Wert Verschiebung, wodurch aus dem Pressling ein Formteil erhalten wird.
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Durch das dem Basismaterial zugegebene Bindemittel welches nach Zumischen zu dem Basismaterial vorzugweise mittels einer Gasreaktion zum Erstarren gebracht wird, wird ein Anheften der pulverförmigen Bestandteile des Basismaterials erhalten. Dadurch weist der so gebildete Formteil eine hohe Eigenstabilität auf, so dass es ohne Gefahr von Beschädigungen weiter verarbeitet werden kann.
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Dabei bildet das so hergestellte Formteil vorteilhaft einen Grünkörper mit einer hohen Grünfestigkeit, aus welchem mittels einer nachfolgenden Sinterung, das heißt einer Wärmebehandlung, zu einem Sinterformteil weiter verarbeitet werden kann. Aufgrund der hohen Grünfestigkeit können Beschädigungen wie Rissbildungen des Grünkörpers während der Handhabung mit hoher Sicherheit ausgeschlossen werden. Weiterhin ist vorteilhaft, dass mit diesem Verfahren auch Sinterformteile mit komplexen Geometrien exakt und reproduzierbar hergestellt werden können.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass mit diesem Formteile und daraus Sinterformteile hergestellt werden können, die eine hohe Porösität und sehr geringe Dichte, die vorzugsweise im Bereich von 2,6 g/cm3 bis 4 g/cm3 liegt, aufweisen.
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Die so hergestellten Sinterformteile können beispielsweise als Schalldämpfer für die Drucklufttechnik oder als Bauteile in der Katalysatortechnik verwendet werden. Weiterhin können derartige Sinterformteile im Bereich der Filtration von Flüssigkeiten und Gasen oder im Bereich chemischer Prozessanlagen eingesetzt werden.
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Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Verwendung von Phenolresol enthaltenden Bindemitteln, die vorzugsweise mit einem Anteil von 0,5 m% bis 4 m% (m% = Massenprozent) in der Mischung mit dem Basismaterial enthalten sind.
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Das Bindemittel wird vorzugsweise durch Zugabe von CO2 zum Erstarren gebracht, was einen kostengünstig und schnell durchführbaren Verfahrensschritt darstellt.
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Gemäß einer bevorzugten Prozessführung wird die Mischung aus dem Metallpulver und dem Bindemittel mit einem Pressdruck im Bereich von 5 MPa bis 150 MPa zu einem Pressling gepresst.
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Dabei erfolgt vorteilhaft das Pressen der Mischung zu einem Pressling mit einer Anordnung von Stempeln, die in einer axialen Richtung verlaufenden Pressrichtung einen Pressvorgang durchführen.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Variante werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Formteile mit einer homogenen Materialverteilung hergestellt.
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Das Formteil wird dabei aus einem Basismaterial hergestellt, das vollstündig aus einem Metallpulver besteht oder ein solches mit weiteren Zusätzen enthält.
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Geeignete Metallpulver zur Ausbildung des Basismaterials sind Pulver aus Stahl, Eigenwerkstoffen, Cobalt, Nickel sowie Legierungen hiervon.
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Dem Metallpulver können Additive wie Graphit, metallische Stoffe oder dergleichen zugegeben werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Erweiterung des erfindungsgemäßen Verfahrens können mit diesem auch Verbundwerkstoffe hergestellt werden. Diese weisen dann unterschiedliche Bereiche auf, die aus verschiedenartigen Basismaterialien bestehen.
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Besonders vorteilhaft wird mit diesem ein Formteil mit zwei Werkstoffkomponenten mit einem Werkstoffübergang in einer radialen Richtung erzeugt. Zur Herstellung des Formteils wird mit zwei Werkstoffkomponenten mit einer inneren Stempelanordnung ein erstes Basismaterial bestehend aus einem Metallpulver und einem Phenolharz enthaltenden Bindemittel in einer axialen Richtung zu einem ersten Pressling gepresst, dass danach ein zweites Basismaterial bestehend aus einem Metallpulver an den ersten Pressling in radialer Richtung anschließend angeordnet wird und danach dieses zweite Basismaterial mit dem ersten Pressling mit der inneren Stempelanordnung und einer in radialer Richtung an diese anschließenden äußeren Stempelanordnung zu einem zweiten Pressling gepresst wird.
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Der erste Pressling wird vor dem Anformen des zweiten Basismaterials mit CO2 beaufschlagt, so dass eine Gasreaktion stattfindet, die zu einer pH-Wert-Verschiebung des ein Phenolharz enthaltenden Bindemittels führt, wodurch das Bindemittel erstarrt. Dadurch entsteht als Formteil ein Grünkörper mit hoher Grünfestigkeit, der ohne Gefahr von Beschädigungen gesintert werden kann, wodurch ein Sinterformteil gebildet wird. Aus diesem Grünkörper wird dann durch Anformen des zweiten Basismaterials der zweite Pressling hergestellt.
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Mit dieser Verfahrensvariante können beispielsweise Bauteile hergestellt werden, die eine robuste beanspruchbare Außenhaut aufweisen und ein Kern aus weicherem, insbesondere preisgünstigerem Material bestehen Beispiele hierfür sind Ölpumpenräder oder Zahnräder.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1: Querschnittsdarstellung einer Pressvorrichtung zur Herstellung von Formteilen.
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1a: Draufsicht auf eine Stempelanordnung der Pressvorrichtung gemäß 1.
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2–6: Unterschiedliche Arbeitsstellungen der Pressvorrichtung gemäß 1.
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Die 1 bis 6 zeigen eine Pressvorrichtung 1, die zur Herstellung von Formteilen eingesetzt wird.
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Wie die 1 und 1a zeigen weist die Pressvorrichtung 1 eine Pressmatrize 2 auf, in welcher ein innerer unterer Stempel 3 und ein äußerer unterer Stempel 4 in einer axialen Richtung (in 1 mit z-Richtung bezeichnet) gegeneinander verfahrbar gelagert sind.
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Der innere untere Stempel 3 und der äußere untere Stempel 4 sind konzentrisch angeordnet. Der innere untere Stempel 3 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Der äußere untere Stempel 4 ist ringförmig ausgebildet und liegt mit seiner Mantelfläche dicht an der Mantelfläche des inneren unteren Stempels 3 an.
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Dieser so gebildeten unteren Stempelanordnung ist eine entsprechend ausgebildete obere Stempelanordnung zugeordnet. Die obere Stempelanordnung weist einen innen oberen Stempel 5, der in seiner Form dem inneren unteren Stempel 3 entspricht, das heißt der innere obere Stempel 5 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Weiterhin weit die obere Stempelanordnung einen ringförmigen äußeren oberen Stempel 6 auf, der den inneren oberen Stempel 5 umschließt. Die Form des inneren oberen Stempels 5 entspricht der Form des inneren unteren Stempels 3. Der innere obere Stempel 5 und der äußere obere Stempel 6 sind konzentrisch zur selben in z-Richtung verlaufenden Längsachsen angeordnet wie der der innere untere Stempel 3 und der äußere untere Stempel 4 und sind ebenfalls in z-Richtung verfahrbar.
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1 zeigt die Stempelanordnung in einer ersten Füllstellung. Die obere Stempelanordnung ist in eine obere Endposition gefahren, so dass sie in Abstand zur unteren Stempelanordnung liegt. Der innere untere Stempel 3 ist gegenüber dem äußeren unteren Stempel 4 weiter nach unten gefahren, so dass ein von dem äußeren unteren Stempel 4 seitlich begrenzter nach oben offener und zur Unterseite von der Oberseite des inneren unteren Stempels 3 begrenzter Hohlraum entsteht.
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In diesen Hohlraum wird, wie 1 zeigt, ein erstes Basismaterial B1 gefüllt. Dieses Basismaterial B1 besteht aus einem Eisenpulver, das zusätzlich ein Phenolresol enthaltendes Bindemittel mit einem Anteil von 1 m% enthält.
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Wie 3 zeigt, wird das B1 durch selektives Herunterfahren des inneren oberen Stempels 5 der oberen Stempelanordnung in axialer Richtung verpresst, wodurch ein erster Pressling P1 erhalten wird.
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Der so hergestellte Pressling P1 wird einem CO2–Gasstrom ausgesetzt. Dadurch läuft eine Gasreaktion derart ab, dass eine pH-Wert-Verschiebung des Phenolresols im Bindemittel von einem pH-Wert von ca. 14 zu geringen pH-Werten erfolgt. Dadurch erstarrt das flüssige Bindemittel. Da das Bindemittel homogen im Pressling P1 verteilt ist, wird ein Anhaften des erstarrten Bindemittels an das Basismaterial B1 im gesamten Volumen des Presslings P1 erhalten. Durch das Erstarren des Bindemittels wird aus dem Pressling P1 ein Grünkörper mit hoher Grünfestigkeit gebildet.
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In einem darauffolgenden Verfahrensschritt wird der innere obere Stempel 5 wieder nach oben gefahren. Gleichzeitig wird der äußere untere Stempel 4 nach unten gefahren, bis dessen Oberseite bündig mit der Oberseite des inneren unteren Stempels 3, auf welcher der Pressling P1 gelagert ist, abschließt. Dadurch wird ein ringförmiger, den Pressling P1 umschließender und nach oben offener Hohlraum gebildet, wie 4 zeigt.
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In diesen Hohlraum wird ein zweites Basismaterial B2 eingefüllt, wie 5 zeigt. Dieses Basismaterial B2 besteht aus einem Metallpulver enthaltend die Metalle Fe-Mo-Ni-Cu und einen Anteil von 0,8 m% Wachs.
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Anschließend wird die gesamte obere Stempelanordnung nach unten gefahren, das heißt der innere obere Stempel 5 und zugleich der äußere obere Stempel 6. Damit erfolgt ein Verpressen des Basismaterials B2 und des Presslings P1 zu einem zweiten Pressling P2, der nun einen Werkstoffübergang in radialer Richtung aufweist.
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Da das Basismaterial B2 durch den Pressvorgang auf eine hohe Dichte, die vorzugsweise größer als 6 g/cm3 ist, gepresst wird, weist dieses nach dem Pressvorgang eine hohe Grünfestigkeit auf. Daher braucht das Basismaterial B2 anders als das Basismaterial B1 nicht durch eine Gasreaktion mit einem Bindemittel stabilisiert werden.
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Der gesamte Pressling P2 weist somit eine hohe Grünfestigkeit auf. Der so gebildete Grünkörper kann somit ohne Gefahr von Beschädigungen gehandhabt werden und insbesondere einer nachfolgenden Sinterung zugeführt werden.
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Das Verfahren zur Herstellung des Presslings P2 gemäß den 1 bis 6 kann dahin abgewandelt werden, dass ein bereits fertig gestellter Pressling P1 wie in 4 dargestellt in die Stempelanordnung eingesetzt wird. Dann erfolgt mit den weiteren Verfahrensschritten der 5 und 6 das Anformen des zweiten Basismaterials B2 an dem Pressling P1 zur Herstellung des Presslings P2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pressvorrichtung
- 2
- Pressmatrize
- 3
- innerer unterer Stempel
- 4
- äußerer unterer Stempel
- 5
- innerer oberer Stempel
- 6
- äußerer oberer Stempel
- B1
- Basismaterial
- B2
- Basismaterial
- P1
- Pressling
- P2
- Pressling
