DE102012222840A1

DE102012222840A1 - Verfahren zum Herstellen von Ventilsteuerungsbauteilen mittels Metallpulverspritzguss

Info

Publication number: DE102012222840A1
Application number: DE102012222840.3A
Authority: DE
Inventors: Sung Chul Cha
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2014-02-13
Also published as: KR20140021443A; KR101405845B1; US20140041222A1; CN103567451B; US9085028B2; CN103567451A

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Ventilsteuerungsbauteilen mittels Metallpulverspritzguss, welches umfasst: Erhalten eines Roh- oder Ausgangsmaterials zum Spritzgießen durch Mischen eines Metallpulvers und eines Bindemittels; Bilden eines gebildeten Körpers durch Einspritzen des erhaltenen Ausgangsmaterials zum Spritzgießen in eine Form mit der Form eines Ventilsteuerungsbauteils; Lösungsmittel-Extrahieren des gebildeten Körpers; Bilden eines gesinterten Körpers durch Entbindern und Sintern des lösungsmittelextrahierten, gebildeten Körpers; Bearbeiten des gesinterten Körpers hinsichtlich seiner Größe; Carbonisieren oder Aufkohlen des hinsichtlich seiner Größe bearbeiteten, gesinterten Körpers unter Vakuum; und Polieren des unter Vakuum carbonisierten, gesinterten Körpers.

Description

Querverweis auf eine verwandte Anmeldung
Gemäß 35 U. S. C. § 119 beansprucht die Anmeldung die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2012-88032 , die am 10. August 2012 beim koreanischen Patentamt eingereicht wurde und auf deren gesamte Offenbarung hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.
Hintergrund
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Ventilsteuerungsbauteilen mittels Metallpulverspritzguss und, genauer gesagt, ein Verfahren zum Herstellen von Ventilsteuerungsbauteilen mittels Metallpulverspritzguss mit verbesserten physikalischen Eigenschaften, indem ein herkömmliches Feingussverfahren durch ein Metallpulverspritzgussverfahren, das eine größere Formgenauigkeit besitzt und dadurch die Kosten reduziert, ersetzt wird und die Zusammensetzung des Pulvers gesteuert wird.
(b) Stand der Technik
Ein Verbrennungsmotor ist eine Vorrichtung, die Energie erzeugt, indem Luft und ein Brenn- oder Kraftstoff, die von einem Äußeren in eine Verbrennungskammer eingesaugt werden, verbrannt werden, und sie weist ein Einlassventil zum Einsaugen der Luft und des Brenn- oder Kraftstoffs in die Verbrennungskammer und ein Ablass- oder Abgasventil zum Freisetzen oder Ablassen des entzündeten Gases, das in der Verbrennungskammer verbrannt wurde, auf. Diese Einlass- und Abgasventile öffnen und schließen sich durch eine Nockenwelle, die sich durch einen Eingriff in die Rotation einer Kurbelwelle dreht. Eine Reihe von Bauteilen zum Betreiben der Einlass- und Abgasventile, wie beispielsweise eine Antriebsnocke, eine Nockenwelle, eine Nocke, ein Kipphebel oder eine Stößelstange, eine Verbindung für den Kipphebel oder für die Stößelstange, wird daneben als Ventilsteuerung bezeichnet.
Die Automobilindustrie arbeitet zudem an der Entwicklung verschiedener umweltfreundlicher Fahrzeuge, bei denen bis 2020 eine Reduktion der Kohlenstoffdioxidemissionen auf 50 g/km angestrebt wird, was 35–50% der derzeitigen Menge entspricht, und die Industrie konzentriert sich auf die Entwicklung einer Technologie, mit der eine Brenn- oder Kraftstoffeffizienz von 23,2 km/l (54,5 mpg) bis 2025 gemäß den Vorschriften der US Corporate Average Fuel Economy (Vereinigung zur Wirtschaftlichkeit des durchschnittlichen Kraftstoffverbrauchs in den USA) erreicht wird.
Für den Motor eines Fahrzeugs wird seit kurzem ein kontinuierlicher variabler Ventilhebel (Continuous Variable Valve Lifter, CVVL) verwendet, der die Kraftstoffeffizienz und die Motorleistung maximiert, indem er durch Steuerung der Höhe des Einlassventils entsprechend der Drehgeschwindigkeit des Motors die Menge der angesaugten Luft optimiert.
Die 1 zeigt eine beispielhafte Ansicht, die einen Kipphebel zeigt; die 2 zeigt eine beispielhafte Ansicht, die die Verbindung für einen Kipphebel zeigt; die 3 zeigt eine beispielhafte Ansicht, die einen kombinierten Aufbau aus einem Kipphebel und einer Verbindung für den Kipphebel zeigt; und die 4 zeigt eine beispielhafte Ansicht, die einen kontinuierlichen variablen Ventilhebel zeigt, und, wie in den Figuren gezeigt ist, fungieren der Kipphebel 100 und die Verbindung 110 für den Kipphebel als Bauteile für den kontinuierlichen variablen Ventilhebel 120.
Da die Ventilsteuerungsbauteile, wie beispielsweise der Kipphebel 100 und die Verbindung 110 für den Kipphebel, für lange Zeiträume unter extremen Bedingungen eingesetzt werden müssen, sind eine große Haltbarkeit und Genauigkeit, wie beispielsweise eine große Festigkeit, eine hohe Abrieb- oder Verschleißfestigkeit und eine hohe Schlagfestigkeit, erforderlich.
Vormals wurde ein Feingussverfahren, das im Vergleich zu herkömmlichen Gussverfahren eine relativ größere Formgenauigkeit besitzt, zum Herstellen der Ventilsteuerungsbauteile verwendet, aufgrund der komplizierten Formen der Ventilsteuerungsbauteile müssen jedoch viele zusätzliche Prozesse eingesetzt werden, um die Endformen nach dem Gießen zu erhalten.
Wenn die Ventilsteuerungsbauteile zudem mittels des Feingussverfahrens hergestellt werden, zeigen sie zwar eine hohe mechanische Festigkeit, jedoch eine geringere Formgenauigkeit, und aufgrund der zusätzlichen Prozesse nahmen daher die Bearbeitungskosten und der Materialverlust zu.
Die vorstehend als Stand der Technik zur vorliegenden Erfindung angegebene Beschreibung soll lediglich den Hintergrund der vorliegenden Erfindung verstehen helfen und soll daher nicht als Teil des Standes der Technik, wie er einem Fachmann bereits bekannt ist, ausgelegt werden.
Zusammenfassung der Offenbarung
Die vorliegende Erfindung wurde in dem Bestreben gemacht, die vorstehend angegebenen, mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme zu lösen. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Ventilsteuerungsbauteilen mittels Metallpulverspritzguss bereit, welches eine verbesserte Formgenauigkeit aufweist. Des Weiteren kann die vorliegende Erfindung die Wirtschaftlichkeit verbessern, indem ein Metallpulverspritzguss anstelle eines herkömmlichen Feingussverfahren als allgemeines Herstellungsverfahren für ein Ventilsteuerungsbauteil verwendet wird, und das Verfahren kann unter extremen Bedingungen, wie sie beispielsweise in einem Motor herrschen, angewendet werden, da die optimale Zusammensetzung des Pulvers und die optimalen Prozessbedingungen eingestellt werden.
Das Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Ventilsteuerungsbauteilen mittels Metallpulverspritzguss gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: Erhalten eines Roh- oder Ausgangsmaterials zum Spritzgießen durch Mischen eines Metallpulvers und eines Bindemittels; Bilden eines gebildeten Körpers durch Einspritzen des erhaltenen Ausgangsmaterials zum Spritzgießen in eine Form mit der Form eines Ventilsteuerungsbauteils; Lösungsmittel-Extrahieren des gebildeten Körpers; Bilden eines gesinterten Körpers durch Entbindern und Sintern des lösungsmittelextrahierten, gebildeten Körpers; Bearbeiten des gesinterten Körpers hinsichtlich seiner Größe („sizing processing”); Carbonisieren oder Aufkohlen des hinsichtlich seiner Größe bearbeiteten, gesinterten Körpers; und Polieren des unter Vakuum carbonisierten, gesinterten Körpers.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zum Erhalten eines Ausgangsmaterials zum Spritzgießen ferner 93 Gew.-% eines Metallpulvers und 7 Gew.-% eines Bindemittels miteinander vermischt. Das Metallpulver enthält: 2 Gew.-% Nickel (Ni), 0,5 Gew.-% Molybdän (Mo), 0,25 Gew.-% Kohlenstoff (C), und die restlichen Gewichtsprozent der Gesamtzusammensetzung werden durch Eisen gebildet.
Zum Bilden eines gesinterten Körpers wird daneben unter Vakuumbedingungen Argongas verwendet und der entbinderte, gebildete Körper wird für 2 Stunden auf 1250°C oder mehr erwärmt (z. B. Halten der Temperatur). Zum Carbonisieren unter Vakuum wird der hinsichtlich seiner Größe bearbeitete, gesinterte Körper zudem auf 890°C erwärmt und der hinsichtlich seiner Größe bearbeitete, gesinterte Körper wird unter Verwenden von Acetylen(C₂H₂)-Gas 1 Stunde lang carbonisiert, und anschließend wird der Kohlenstoff 10 min lang bei 890°C diffundiert oder verteilt, worauf eine Abkühlung auf 820°C erfolgt und der Kohlenstoff bei der gleichen Temperatur 20 min lang diffundiert wird.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Carbonisieren unter Vakuum das Erwärmen des hinsichtlich seiner Größe bearbeiteten, gesinterten Körpers bei 180°C, das Konstanthalten der Temperatur für 90 min und das anschließende Abkühlen des gesinterten Körpers nach Abschrecken des gesinterten Körpers, in welchem Kohlenstoff diffundiert wurde, unter Verwenden eines Ölbades bei 80°C.
Die Ventilsteuerungsbauteile sind ferner ein Kipphebel oder eine Verbindung für einen Kipphebel.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die vorstehend angegebenen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen derselben, die in den beigefügten Figuren veranschaulicht sind, welche hierin lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung angegeben sind und die vorliegende Erfindung daher in keiner Weise einschränken sollen, beschrieben. In den Figuren gilt:
1 zeigt eine beispielhafte Ansicht, die einen Kipphebel gemäß dem Stand der Technik zeigt;
2 zeigt eine beispielhafte Ansicht, die eine Verbindung für einen Kipphebel gemäß dem Stand der Technik zeigt;
3 zeigt eine beispielhafte Ansicht, die einen kombinierten Aufbau aus einem Kipphebel und einer Verbindung für den Kipphebel gemäß dem Stand der Technik zeigt;
4 zeigt eine beispielhafte Ansicht, die einen kontinuierlichen variablen Ventilhebel gemäß dem Stand der Technik zeigt;
5 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm, das das Verfahren zum Herstellen von Ventilsteuerungsbauteilen mittels Metallpulverspritzguss gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 zeigt eine beispielhafte Abbildung, die den Prozess des Entbinderns und des Sinterns gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 zeigt eine beispielhafte Abbildung, die den Prozess des Carbonisierens unter Vakuum und des Abschreckens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
8 zeigt eine beispielhafte Abbildung, die das Ergebnis eines Härtetests für die Ventilsteuerungsbauteile (Kipphebel) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Es sollte verstanden werden, dass die beigefügten Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, sondern eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter Merkmale zeigen, welche die zugrunde liegenden Prinzipien der Erfindung veranschaulichen. Spezielle Merkmale der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich von zum Beispiel bestimmten Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen, werden zum Teil durch die Bedingungen und Umstände der speziell angestrebten Anwendung und Verwendung bestimmt werden.
In allen Figuren bezeichnen die Bezugszeichen jeweils gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
Es soll verstanden werden, dass der Begriff „Fahrzeug” oder „Fahrzeug-” oder ein weiterer ähnlicher Begriff, wie er hierin verwendet wird, Kraftfahrzeuge allgemein, wie beispielsweise Personenkraftwagen, einschließlich Geländewagen (sports utility vehicles, SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen sowie Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, umsteckbare Hybrid-Elektro-Fahrzeuge, mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge und weitere Fahrzeuge, die mit alternativen Kraftstoffen betrieben werden (z. B. Kraftstoffen, die aus einer anderen Quelle als Erdöl stammen), einschließt.
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck, bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben und soll die Erfindung daher in keiner Weise einschränken. Wie sie hierin verwendet werden, sollen die Singularformen „ein, eine, eines” und „der, die, das” auch die Pluralformen umfassen, solange aus dem Kontext nicht klar etwas anderes ersichtlich ist. Weiter soll verstanden werden, dass die Begriffe „umfasst” und/oder „umfassend”, wenn sie in der vorliegenden Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein der genannten Merkmale, Zahlen, Schritte, Arbeitsvorgänge, Elemente und/oder Komponenten/Bestandteile angeben, jedoch nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung eines oder mehrerer weiterer Merkmale, Zahlen, Schritte, Arbeitsvorgänge, Elemente, Komponenten/Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen. Wie er hierin verwendet wird, schließt der Begriff „und/oder” jegliche und alle Kombinationen eines oder mehrerer der damit verbundenen aufgelisteten Punkte ein.
Soweit nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich ist, soll der Begriff „etwa”, wie er hierin verwendet wird, als innerhalb eines Bereichs mit in der Wissenschaft normalen Toleranzgrenzen liegend verstanden werden, zum Beispiel als innerhalb von 2 Standardabweichungen vom Mittelwert liegend. „Etwa” kann verstanden werden als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% vom angegebenen Wert liegend. Soweit es aus dem Kontext nicht anderweitig klar hervorgeht, gelten alle hierin angegebenen Zahlenwerte als um den Begriff „etwa” erweitert.
Im Folgenden wird nun die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben.
In der vorliegenden Erfindung wird das herkömmliche Feingussverfahren zum Herstellen der Ventilsteuerungsbauteile durch ein Metallpulverspritzgussverfahren ersetzt, das eine größere Formgenauigkeit aufweist.
Das Metallpulverspritzguss(metal powder injection molding, MIM)-Verfahren ist eine neuartige Pulvermetallurgiegusstechnik, die eine Kombination aus einer Pulvermetallurgietechnik und einem Spritzgussverfahren zur Massenproduktion detailgetreuer Bauteile aus Kunststoff darstellt, und das Verfahren kann umfassen: Mischen eines feinen Metallpulvers und eines Bindemittels, Spritzgießen der Mischung in eine Form, Entfernen des Bindemittels aus dem spritzgegossenen Körper und ausschließliches Sintern des Pulvers bei einer hohen Temperatur, um die Bauteile für die Ventilsteuerung zu erhalten.
Des Weiteren weisen Produkte, die mittels des Metallpulverspritzgusses hergestellt wurden, im Allgemeinen eine gegenüber den mittels Feinguss hergestellten Produkten verbesserte Formgenauigkeit auf. Dementsprechend waren im Stand der Technik Nachbearbeitungsprozesse, wie beispielsweise eine Wärmebehandlung der Oberfläche zur Erhöhung der physikalischen Eigenschaften, erforderlich. Im Stand der Technik war es schwierig, die gewünschten physikalischen Eigenschaften zu erhalten, da es schwierig war, den Kohlenstoffanteil in den Materialien (z. B. die Differenz zwischen einem dünnwandigen Bauteil und einem dickwandigen Bauteil) zu steuern, da Fe mit 2 Gew.-% Ni und 0,9 Gew.-% C entcarbonisiert oder entkohlt vorlag.
Die 5 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm, das das Verfahren zum Herstellen von Steuerungsventilbauteilen mittels Metallpulverspritzguss gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, welches anhand der folgenden Ausführungsformen ausführlich beschrieben wird.
1. Schritt des Mischens (S100)
Um ein Ausgangsmaterial zum Spritzgießen zu erhalten, können ein Metallpulver und ein Bindemittel miteinander vermischt werden. Das Bindemittel kann für die Fluidität und zum Aufrechterhalten der Form des Metallpulvers während des Spritzgießens zugegeben werden, und es kann ein herkömmliches organisches Bindemittel sein, das ein Bindemittelagens, wie beispielsweise Polyethylen, oder ein Schmiermittel (z. B. Paraffinwachs und Stearinsäure) enthält. Das Mischen kann insbesondere homogen erfolgen, so dass das Metallpulver einen Anteil von etwa 93 Gew.-% ausmacht und das Bindemittel einen Anteil von etwa 7 Gew.-% ausmacht und so das Ausgangsmaterial zum Spritzgießen erhalten wird.
Wenn die Menge an Metallpulver weniger als etwa 93 Gew.-% beträgt, kann zwar die Fluidität während des Spritzgießens noch gut sein, der Prozess des Entbinderns kann jedoch länger dauern. Wenn die Menge an Metallpulver aber mehr als etwa 93 Gew.-% beträgt, kann der gebildete Körper eine geringe Festigkeit während des Einspritzens zeigen.
Das Metallpulver kann ferner vermischt werden, indem jedes Metallatom einzeln oder separat zugeführt wird und dann Molybdän (Mo) dazugegeben wird, und insbesondere können Carbonyl-Fe (1) (das etwa 0,76 Gew.-% Kohlenstoff (C) enthält), Carbonyl-Fe (2) (das etwa 0,03 Gew.-% Kohlenstoff (C) enthält), Nickel (Ni) und Molybdän (Mo) miteinander vermischt werden, so dass sich ein Verhältnis in der Gesamtzusammensetzung von etwa 2 Gew.-% Nickel (Ni) zu etwa 0,5 Gew.-% Molybdän (Mo) zu etwa 0,25 Gew.-% Kohlenstoff (C) und den restlichen Gew.-% an Eisen (Fe) ergibt.
Das Vermischen kann daneben etwa 3 Stunden lang bei etwa 160°C mit etwa 30 rpm (Umdrehungen pro Minute) erfolgen. Wenn das Mischen bei einer niedrigeren Temperatur und für einen kürzeren Zeitraum erfolgt, kann es sein, dass sich das Bindemittel aufgrund seiner Fluidität nicht gut vermischt, und wenn das Mischen bei einer höheren Temperatur und für einen längeren Zeitraum erfolgt, kann das Bindemittel während des Mischvorgangs entbindert werden.
2. Schritt des Einspritzens (S110)
Das erhaltene Ausgangsmaterial zum Spritzgießen kann in eine Form mit der Form eines Ventilsteuerungsbauteils unter den Bedingungen: einer Temperatur der Düse von etwa 145°C, einer Einspritzgeschwindigkeit von etwa 33 mm/s, einem Einspritzdruck von etwa 3,5 MPa und einer Temperatur der Form von etwa 30°C eingespritzt werden, um einen gebildeten Körper zu bilden. Die Temperatur der Düse und die Temperatur der Form können entsprechend der Fluidität des Ausgangsmaterials zum Spritzgießen und der Verdampfung des Bindemittels festgelegt werden, und der Einspritzdruck und die Einspritzgeschwindigkeit können entsprechend für eine ruhige oder gleichmäßige Einspritzung und ohne eine Überladung einer Spritzgussvorrichtung festgelegt werden.
3. Schritt der Lösungsmittelextraktion (S120)
Der gebildete Körper, der mit Hilfe des vorstehend angegebenen Verfahrens gebildet wurde, kann, um die Dauer des Entbinderns zu verkürzen, vorher in eine normale Heptan(n-Heptan)-Lösung eingetaucht werden und bei etwa 40°C etwa 10 bis 12 Stunden lang lösungsmittelextrahiert werden, um das Meiste des Bindemittels im gebildeten Körper zu entfernen. Wenn die Temperatur größer als 40°C ist, können sich, da die Reaktionsgeschwindigkeit zum Entfernen des Bindemittels zu schnell wird, bevor sich der richtige Extraktionsweg im Inneren des gebildeten Körpers gebildet hat, Risse bilden, und daher kann sich im Inneren des gebildeten Körpers eine Belastungsspitze ergeben.
Wenn die Temperatur ferner weniger als 40°C beträgt, können sich zwar keine Risse bilden, die Prozesskosten können jedoch aufgrund der Dauer der erforderlichen Zeit zur Extraktion des Lösungsmittels zunehmen.
4. Schritt des Entbinderns und des Sinterns (S130)
Die 6 zeigt eine beispielhafte Abbildung, die den Prozess des Entbinderns und des Sinterns gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Das Entbindern ist ein Prozess, der dazu vorgesehen ist, das Bindemittel im gebildeten Körper vor dem Sintern im Wesentlichen zu entfernen, und ein thermisches Entbindern kann durchgeführt werden, um das in dem lösungsmittelextrahierten, gebildeten Körper verbleibende Bindemittel zu entfernen.
Ein allgemeines Verfahren zum Entfernen des Bindemittels ist ein Verfahren, bei dem das Bindemittel durch thermisches Entbindern durch langsames Erwärmen des gebildeten Körpers verdampft werden kann. Wenn das Bindemittel verdampft wird, kann jedoch eine Verformung des gebildeten Körpers, wie beispielsweise eine Verspannung oder Verbiegung, auftreten, da der größte Teil des Bindemittels bei einer niedrigen Temperatur langsam verdampft, bei Erreichen einer bestimmten Temperatur jedoch schlagartig verdampfen kann.
Wie in 6 gezeigt ist, kann, um eine Verformung des gebildeten Körpers zu verhindern, entsprechend bei 25°C etwa 10 min lang eine Vakuumpumpe eingesetzt werden, Stickstoff(N₂)-Gas kann mit einer Geschwindigkeit von 8 l/min zugeführt werden und die Temperatur kann erhöht und aufrechterhalten werden, um das Bindemittel schrittweise zu entfernen und so eine Verformung des gebildeten Körpers zu minimieren.
Daneben kann ein Pfad zum Entbindern des Bindemittels im Inneren des gebildeten Körpers in einem Niedertemperaturbereich gebildet werden und nacheinander kann das Entbindern des Bindemittels für eine niedrigere Temperatur in einem mittleren Temperaturbereich erfolgen und das Entbindern des Bindemittels für eine höhere Temperatur kann in einem hohen Temperaturbereich erfolgen.
Zudem können die Vakuumbedingungen erzeugt werden, indem Argon(Ar)-Gas, das mit einer Geschwindigkeit von 5 l/min zugeführt wird, eingepumpt wird, der entbinderte, gebildete Körper kann auf etwa 1250°C oder höher erwärmt werden, und das Sintern, bei dem die Temperatur für 2 Stunden aufrecht erhalten wird (z. B. Halten der Temperatur), kann anschließend erfolgen, um den gesinterten Körper zu bilden. Während des Sinterns kann der gebildete Körper durch eine Verdichtung und ein Wachstum der Teilchen verfestigt werden. Das Sintern kann in einem separaten Sinterofen durchgeführt werden, es kann jedoch kontinuierlich durchgeführt werden und anschließend kann das Entbindern in einem Sinterofen zum Entbindern unter Vakuum erfolgen.
5. Schritt zur Bearbeitung der Größe (S140)
Um die Abmessungen des gesinterten Körpers zu bestimmen, kann der gesinterte Körper einer Größenbearbeitung bei einem Druck von etwa 100 kgf/cm² unterzogen werden.
6. Schritt der Carbonisierungsbehandlung unter Vakuum (S150)
Die 7 zeigt eine beispielhafte Abbildung, die den Prozess des Carbonisierens unter Vakuum und des Abschreckens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 7 gezeigt ist, kann der hinsichtlich seiner Größe bearbeitete, gesinterte Körper für etwa 30 min auf die Carbonisierungstemperatur von etwa 890°C erwärmt werden, und dann kann die Carbonisierung unter Verwenden von Acetylen(C₂H₂)-Gas als Kohlenstoffquelle für etwa 1 Stunde durchgeführt werden.
Des Weiteren kann der carbonisierte Kohlenstoff etwa 40 min lang durch Aufrechterhalten der Temperatur bei 890°C für etwa 10 min und Absenken der Temperatur auf etwa 820°C für etwa 10 min und Aufrechterhalten der Temperatur bei etwa 820°C für 20 min diffundiert oder verteilt werden.
Der gesinterte Körper, in dem Kohlenstoff diffundiert ist, kann zudem unter Verwenden eines Ölbades mit etwa 80°C abgeschreckt werden, um seine Härte und Festigkeit sicherzustellen, und es kann eine Aushärtung erfolgen, bei der die Temperatur auf etwa 180°C erhöht wird, die Temperatur dort für etwa 90 min aufrecht erhalten wird und die Temperatur dann abgesenkt wird, um die Zähigkeit des Körpers zu erhöhen.
Daneben kann ungeachtet einer Dicke durch Verwenden von Acetylen(C₂H₂)-Gas für die Carbonisierung und durch Steuern der potentiellen Kohlenstoffstöße durch Carbonisieren in einer Vakuumatmosphäre eine gehärtete Schicht mit einer einheitlichen Aufkohlunsgtiefe oder Härtetiefe erhalten werden.
7. Schritt des Polieren (S170)
Der unter Vakuum carbonisierte, gesinterte Körper kann etwa 2 Stunden lang poliert werden, um ihm eine glatte Oberfläche zu verleihen. Tabelle 1

Tiefe (mm) Härte des Kipphebels (HV 0,3)

0 684,9

0,05 707,1

0,1 675,4

0,2 670,7

0,3 586,3

0,4 560

0,5 557,1

0,6 529,9

0,7 475,6

1 385,3

1,5 385,3

2 395,6
Die 8 und die Tabelle 1 zeigen eine beispielhafte Abbildung und eine Tabelle, die die Ergebnisse eines Härtetests der Ventilsteuerungsbauteile (z. B. eines Kipphebels) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Wie es hierin als ein Ergebnis der Carbonisierungswärmebehandlung gezeigt ist, besaß der Kipphebel 100 an seiner Oberfläche eine Härte von etwa 700 HV und von seiner Oberfläche bis zu seinem tiefen oder inneren Teil eine Härte von etwa 400 HV oder mehr; seine effektive Aufkohlungs- oder Härtetiefe lag bei etwa 0,52 mm; und die Dichte betrug 7,6 g/cc.
Aus den Ergebnissen verschiedener Versuche können sich folgende grundlegende physikalischen Eigenschaften des Kipphebels 100 ergeben: eine Dichte von 7,5 g/cc, eine Oberflächenhärte von 650 HV oder mehr, eine Härte von der Oberfläche bis zu seinem tiefen Teil von 300 HV oder mehr und eine effektive Härtetiefe von 0,3 bis 0,6 mm.
Als Ergebnis des Messens der mechanischen Festigkeit des Kipphebels 100, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, zeigte der Kipphebel ferner eine Zugfestigkeit von 940 MPa, einen Elergationsverhältnis von 0,5% und eine Schlagfestigkeit von 9,1 J/cm².
Die vorliegende Erfindung kann die Kosten reduzieren, indem sie die Bearbeitungskosten und den Materialverlust senkt, die sich aus zusätzlichen Verarbeitungsprozessen ergeben (z. B. beträgt die Formgenauigkeit des Kipphebels 100 gemäß der vorliegenden Erfindung etwa 0,13%, was ungefähr 5-mal besser ist als die Formgenauigkeit eines Kipphebels 100 aus einem herkömmlichen Feingussverfahren mit 0,65%), indem das herkömmliche Feingussverfahren durch ein Metallpulverspritzgussverfahren ersetzt wird, das eine große Formgenauigkeit aufweist.
Trotz der Herstellung mittels Metallpulverspritzguss besitzt die vorliegende Erfindung ferner den Vorteil, physikalische Eigenschaften gleich jenen des herkömmlichen Feingussverfahrens, zum Beispiel eine verbesserte Festigkeit und Oberflächenhärte, sicherzustellen, indem die Carbonisierung gleichmäßig erfolgt, was durch Steuerung der Zusammensetzung und der Prozessbedingungen möglich ist.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen derselben ausführlich beschrieben. Fachleute werden jedoch erkennen, dass Änderungen und Modifikationen an diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Geiste der Erfindung, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert ist, abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

KR 10-2012-88032 [0001]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Ventilsteuerungsbauteilen mittels Metallpulverspritzguss, umfassend: Erhalten eines Roh- oder Ausgangsmaterials zum Spritzgießen durch Mischen eines Metallpulvers und eines Bindemittels; Bilden eines gebildeten Körpers durch Einspritzen des erhaltenen Ausgangsmaterials zum Spritzgießen in eine Form mit der Form eines Ventilsteuerungsbauteils; Lösungsmittel-Extrahieren des gebildeten Körpers; Bilden eines gesinterten Körpers durch Entbindern und Sintern des lösungsmittelextrahierten, gebildeten Körpers; Bearbeiten des gesinterten Körpers hinsichtlich seiner Größe („sizing processing”); Carbonisieren oder Aufkohlen des hinsichtlich seiner Größe bearbeiteten, gesinterten Körpers unter Vakuum; und Polieren des unter Vakuum carbonisierten, gesinterten Körpers.
Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Ventilsteuerungsbauteilen mittels Metallpulverspritzguss nach Anspruch 1, wobei zum Erhalten des Ausgangsmaterials zum Spritzgießen etwa 93 Gew.-% des Metallpulvers und etwa 7 Gew.-% des Bindemittels miteinander vermischt werden.
Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Ventilsteuerungsbauteilen mittels Metallpulverspritzguss nach Anspruch 2, wobei das Metallpulver umfasst: etwa 2 Gew.-% Nickel (Ni), etwa 0,5 Gew.-% Molybdän (Mo), etwa 0,25 Gew.-% Kohlenstoff (C), wobei die restlichen Gewichtsprozent der Gesamtzusammensetzung durch Eisen (Fe) gebildet werden.
Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Ventilsteuerungsbauteilen mittels Metallpulverspritzguss nach Anspruch 1, wobei zum Bilden eines gesinterten Körpers Argongas unter Vakuumbedingungen verwendet wird und der entbinderte, gebildete Körper für 2 Stunden auf etwa 1250°C oder mehr erwärmt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Ventilsteuerungsbauteilen mittels Metallpulverspritzguss nach Anspruch 1, wobei das Carbonisieren unter Vakuum umfasst: Erwärmen des hinsichtlich seiner Größe bearbeiteten, gesinterten Körpers auf etwa 890°C; Carbonisieren des hinsichtlich seiner Größe bearbeiteten, gesinterten Körpers unter Verwenden eines Acetylen(C₂H₂)-Gases für 1 Stunde; Diffundieren oder Verteilen des Kohlenstoffs bei etwa 890°C für 10 min; Abkühlen des hinsichtlich seiner Größe bearbeiteten, gesinterten Körpers auf etwa 820°C; und Diffundieren oder Verteilen des Kohlenstoffs bei etwa 820°C für 20 min.
Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Ventilsteuerungsbauteilen mittels Metallpulverspritzguss nach Anspruch 5, wobei das Carbonisieren unter Vakuum umfasst: Erwärmen des hinsichtlich seiner Größe bearbeiteten, gesinterten Körpers auf etwa 180°C; Aufrechterhalten der Temperatur für 90 min; und Abkühlen des hinsichtlich seiner Größe bearbeiteten, gesinterten Körpers nach dem Abschrecken des gesinterten Körpers, in dem Kohlenstoff diffundiert wurde, unter Verwenden eines Ölbades bei etwa 80°C.
Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Ventilsteuerungsbauteilen mittels Metallpulverspritzguss nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Ventilsteuerungsbauteilen einen Kipphebel oder eine Verbindung für einen Kipphebel umfasst.