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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gesinterten Bauteilen. Bevorzugt handelt es sich dabei um Bauteile mit größerer Dimensionierung, die mit anderen Verfahren nicht oder nur sehr aufwändig hergestellt werden können. Dabei kann es sich um Bauteile mit einer rotationssymmetrischen Querschnittsfläche, mit einer regelmäßigen Oberfläche ausgebildete Bauteile, wie dies beispielsweise Bauteile mit quadratischem oder rechteckigen Querschnittsflächen sind, oder um Bauteile, an denen an der Oberfläche Konturen oder Konturelemente, die eine bestimmte Funktionalität aufweisen können, ausgebildet sind, handeln.
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Es kann bei der Herstellung auch ein Fügen durchgeführt werden, bei dem zusätzliche Werkstoffe in ein Bauteil integriert werden, die mindestens eine weitere Funktion ermöglichen. So kann beispielsweise ein elektrisch oder thermisch gutleitender Werkstoff an einem Bauteil vorhanden sein, wenn es sich beispielsweise um ein Bauteil, das ansonsten aus keramischem Werkstoff hergestellt ist, handelt.
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Bei der Herstellung gesinterter Bauteile kommen für die Formgebung unterschiedliche Formgebungsverfahren und auch Entbinderungs- und Sinterverfahren zur Anwendung. So werden „Grünkörper” aus pulverförmigem Werkstoff auf unterschiedliche Art und Weise in die gewünschte Form gebracht. Dabei kommen sogenannte Schlicker, in denen der pulverförmige Werkstoff eine Suspension bildet, zum Einsatz. Bei anderen Formgebungsverfahren werden dem pulverförmigen Werkstoff organische Zusatzstoffe zugegeben, die eine Binderfunktion übernehmen und später bei einer zum Beispiel thermischen Behandlung ausgetrieben werden.
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Ein angewendetes Formgebungsverfahren bei der Herstellung von solchen Bauteilen ist größeren Stückzahlen ist das Spritzgießen.
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Der Pulverspritzguss bietet eine Möglichkeit, endformnahe Komponenten in großen Stückzahlen wirtschaftlich zu produzieren. Das zunehmende Interesse der Industrie stellt die Forderung nach immer größeren Bauteilen. Ausgangsmaterial für den Pulverspritzguss ist der sogenannte Feedstock, eine verarbeitbare Komposition aus Feststoff und dem zum Spritzen benötigten Plastifizierer, in der Regel einem organischen Bindemittel. Die organischen Binderkomponenten dienen lediglich als temporärer Zusatzstoff bei der Formgebung und werden bei einer thermischen Behandlung, dem so genannten Entbindern, entfernt. Dieser Prozess ist aufgrund verdampfender Komponenten sensitiv gegenüber entstehendem Bauteilinnendruck. Insbesondere bei großen Wandstärken muss die thermische Entbinderung sehr langsam stattfinden, um die gasförmigen Komponenten entgegen des Druckverlustes aus den Poren entweichen zu lassen. Häufig treten während dieses Behandlungsschrittes Risse durch auftretende Spannungen auf, die das Bauteil unbrauchbar machen. Durch die langen und risikobehafteten Entbinderungsprozesse wird die Herstellung bei großformatigen Bauteilen unwirtschaftlich.
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Eine Methode dieses Ziel dennoch zu erreichen, ist das Fügen von einzelnen spritzgegossenen Bauteilen im Braun- bzw. Weißzustand. Mit dieser Methode ist es möglich, die Wandstärke des fertigen Bauteils zu vervielfachen, ohne Entbinderungsrisse in Kauf nehmen zu müssen. Außerdem kann mit dem Verfahren eine Energieeinsparung während der thermischen Behandlung aufgrund größerer Aufheizraten und durch kürzere Haltezeiten infolge des modularen Konzeptes realisiert werden.
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Zum Herstellen komplexer Bauteilgeometrien aus sinterfähigem Werkstoff werden häufig verschiedene Fügeverfahren eingesetzt. Wird eine monolithische Fügung angestrebt, so können keine Fügeverfahren eingesetzt werden, die eine eigenschaftsverändernde Zwischenschicht ausbilden. Nur ohne deren Einsatz können die Eigenschaften des Grundwerkstoffes auf das fertige Bauteil übertragen werden. Eine angewendete, der Erfindung verwandte Methode, ist das Diffusionsschweißen (Fam. des Sinterfügens), bei dem die meistens auf Stoß liegenden Fügepartner mit einem Druck (uniaxial oder isostatisch) beaufschlagt werden oder selbst einen Druck durch ihr Eigengewicht auf die Fügezone ausüben. Für Fügungen solcher Art sind konturparallele Flächen und große Kräfte notwendig, die extern aufgebracht werden müssen. Ein häufig hierfür angewendetes Verfahren ist das heißisostatische Pressen.
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Bisher können jedoch keine Verbindungen gleicher sinterfähiger Ausgangsmaterialien mit einem Welle-Nabe-Charakter hinreichend gut, ohne den Einsatz von Zusatzstoffen oder Druck diffusionsgeschweißt werden.
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Bisher wurden Fügungen dieser Art (gesinterte Teile mit spezieller Geometrie, soweit bekannt) nur mit Zusatzstoffen, wie etwa Glas-, Metall- oder Aktivlote sowie Fügefolien, Pasten, Klebern oder sonstigen Zusätzen, wie metallischen Abscheidungen realisiert. Allerdings weisen damit resultierende Fügezonen im Allgemeinen Eigenschaftssprünge durch diese Fremdstoffe auf. Andere Fügeverfahren, wie Laserschweißen, bei dem die Eindringtiefe beschränkt ist und eine Kornvergröberung in der Fügezone stattfinden kann oder das so genannte „Greenjoining”, was das Verbinden von Grünteilen beschreibt, sind keine Alternativen zur Erfindung.
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Momentan sind keine ökonomischen Verfahren bekannt, bei denen beispielsweise gesinterte Keramikteile vom Typ Welle-Nabe druck- und additiv-frei verbunden werden können, ohne die eigentlichen Eigenschaften des eingesetzten pulverförmigen Werkstoffs, insbesondere in der Fügezone zu beeinträchtigen.
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Der in dieser Erfindung angewendete Diffusionsschweißprozess ist meistens nur an Fügeflächen hoher Oberflächengüte und unter Anwesenheit großer Drücke anwendbar. Dem Diffusionsbinden untergeordnet ist das Sinterfügen bzw. Co-Sintern. Beim Sinterfügen werden Grünteile untereinander oder Grünteile mit Fertigteilen mit oder ohne Zusätze verbunden. Dabei werden oftmals verschiedene Komponenten mit unterschiedlichem Schwindungsverhalten kombiniert.
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Eine publizierte Alternative, Verbindungen mit Welle-Nabe Charakter herzustellen, die dem Diffusionsschweißen zuzuordnen ist, ist in
DE 11 2004 001 032 T5 offenbart. Darin wird beschrieben, dass es mittels einer metallischen Abscheidung (z. B. Al) möglich ist, Al
2O
3 unter Luft zu fügen. Jedoch sind prinzipbedingt chemische Reaktionen erforderlich, die eine Anbindung beider miteinander zu fügenden Partner unterstützen. Allerdings sind bei diesem Verfahren der unvollständige Umsatz von Al und die Porosität in der Fügezone nachteilig. Bereits geringe Restanteile des nicht umgesetzten Zusatzstoffes können kristallografische und alle davon abhängigen mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften beeinträchtigen. Weiterhin werden die angestrebten Umsätze der metallischen oder metallorganischen Komponenten erst nach sehr langen Haltezeiten bei hohen Temperaturen erreicht. Gerade bei großvolumigen/großflächigen Fügungen stellt diese Methode keine wirtschaftliche Alternative dar.
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Das erfindungsgemäße Ziel besteht also im additiv- und druckfreien Fügen von sinterfähigem Werkstoff gleicher Natur im gesinterten Zustand ohne Kornvergröberung oder Mischphasen in der Fügezone durch ein Schrumpf-Diffusionsbinden.
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Über die Möglichkeit größere monolithische Bauteile über den Pulverspritzguss zu erzeugen, bietet diese Methode nicht nur eine Alternative zu bekannten Fügeverfahren, sondern kann als wegweisend für neue Anwendungen gefügter Bauteile angesehen werden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, gesinterte Bauteile zur Verfügung zu stellen, die aus mehreren Formkörpern durch Fügen hergestellt werden und die Bauteile im gesinterten Zustand aus dem gleichen Werkstoff ohne Kornvergröberung oder Mischphasen in der Fügezone gebildet sind und beim Fügen kein zusätzliches Bindemittel oder ein Zusatzstoff im Kontaktflächenbereich eingesetzt worden ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit dem entbinderte und angesinterte, artgleiche Formkörper miteinander verbunden werden können, ohne artfremde oder arteigene Zusatzstoffe für das Fügen zu verwenden. Als Ausgangswerkstoff dienen sinterfähige pulverförmige Werkstoffe, z. B. Keramiken oder Metalle.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird so vorgegangen, dass mindestens zwei Formkörper aus einem gleichen pulverförmigen Werkstoff durch ein Formgebungsverfahren so hergestellt werden, dass sie jeweils eine komplementäre Oberflächengestalt aufweisen. Dabei soll ein Formkörper einen anderen Formkörper teilweise oder vollständig umgreifen und/oder umschließen, wenn die Formkörper bei einer zur Sinterung führenden zweiten Wärmebehandlung entsprechend zueinander positioniert worden sind. Die Positionierung soll im Anschluss an eine erste Wärmbehandlung erfolgen, bei der die Formkörper jeweils bis auf unterschiedliche maximale Temperaturen erwärmt werden und eine dementsprechende Schwindung an den Formkörpern aufgetreten ist, so dass ein umgreifender und/oder umschließender Formkörper bei einer kleineren maximalen Temperatur, als ein umgriffener und/oder umschlossener Formkörper bei der ersten Wärmebehandlung wärmbehandelt worden ist und dementsprechend eine geringere Schwindung an einem umgreifenden und/oder umschließenden Formkörper aufgetreten ist.
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Bei der ersten Wärmebehandlung kann auch eine Entbinderung bzw. eine Entfernung von Zusatzstoffen/Additiven, die für die Formgebung bei der Herstellung der grünfesten Formkörper erforderlich waren, durchgeführt werden.
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Bei der Positionierung der Formkörper soll zwischen den miteinander zu fügenden Oberflächenbereichen ein Spalt vorhanden sein, was durch entsprechend einzuhaltende maximale Temperaturen bei der ersten Wärmebehandlung und unter Berücksichtigung der Ausgangsabmessungen von Formkörpern vor der ersten Wärmebehandlung erreicht werden kann. Die Größe eines Spaltes kann aber auch durch eine entsprechende Dimensionierung der Formkörper bei deren Herstellung oder auch durch einen Werkstoffabtrag an der Oberfläche im Fügebereich, der bevorzugt nach der ersten Wärmebehandlung durchgeführt werden sollte, beeinflusst werden. Dadurch kann die Druckkraftwirkung mit der die sich im unmittelbaren Kontakt miteinander stehenden Oberflächen der zu fügenden Formkörper während der Durchführung der zweiten Wärmebehandlung aneinander gepresst werden, beeinflusst werden, was sich natürlich auf die herzustellende Fügeverbindung auswirkt. Dies kann aber auch unter Berücksichtigung, des mit dem vorab in Abhängigkeit der Temperaturen und bei der geometrischen Gestaltung und Dimensionierung bei dem Formgebungsverfahren, das zur Herstellung der Formkörper eingesetzt wird, bestimmten Schwindungsverhaltens erreicht werden.
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Im Anschluss an die Positionierung bei der gemeinsamen zweiten Wärmebehandlung wird die Temperatur auf eine maximale Temperatur erhöht, bei der eine Sinterung größeren Fortschritts der Formkörper erreicht wird. Durch die dabei auftretende Schwindung am/an umgreifenden und/oder umschließenden Formkörper(n) in Verbindung mit der Sinterung wird eine kraft-, form- und/oder stoffschlüssige Verbindung im Kontaktflächenbereich der Formkörper ausgebildet, ohne dass ein zusätzliches Bindemittel oder ein Zusatzstoff im Kontaktflächenbereich eingesetzt worden ist. Vorteilhaft besteht die Möglichkeit, alle drei Verbindungsarten zu nutzen, so dass eine kraft-, eine form- und eine stoffschlüssige Verbindung erreicht werden kann.
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Bei entsprechender geometrischer Gestaltung der miteinander zu fügenden Formkörper ist auch kein zusätzlicher extern aufzubringender Druck oder eine Druckkraftwirkung auf die zu fügenden Formkörper erforderlich, da der infolge Schwindung auftretende Druck auf den Fügebereich in der Regel ausreichend ist. Der Druck ist durch die entsprechende geometrische Gestaltung (Wahl des Übermaßes) beeinflussbar.
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Dabei können unter umschließenden oder umgreifenden Formkörpern solche verstanden werden, deren Oberflächen in Bereichen so konturiert sind, dass sie einen anderen Formkörper, mit dem sie verbunden werden sollen, entsprechend umgreifen oder umschließen. Solche Formkörper können beispielsweise Kreisringe, Kreisringsegmente, die einen anderen Formkörper an seinem Umfang mit mehr als 50% umschließen, Formkörper mit beliebiger Außenkontur (z. B. Quadrat, Rechteck, Vieleck, Ellipse oder jede andere beliebige Geometrie) in denen eine Durchbrechung oder ein offener Hohlraum bzw. eine Vertiefung (z. B. Sackloch) ausgebildet ist, als umschließende Formkörper eingesetzt werden. Ein umschlossener Formkörper kann dann beispielsweise die Form eines Kreises aufweisen oder in komplementärer Gestalt zur Innenkontur einer ausgebildeten Durchbrechung an seiner äußeren Oberfläche zumindest in seinem Fügebereich ausgebildet sein.
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Umgreifende Formkörper können dabei entsprechend geometrisch gestaltete Klammern oder so geformt sein, dass Oberflächenbereiche eine Hinterschneidung hintergreifen oder in eine an einem umgriffenen Formkörper ausgebildete Vertiefung eingreifen.
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Es können aber auch kombinierte Formkörper bei der Erfindung eingesetzt werden, die sowohl umschließend, wie auch umgreifend bzw. als umschlossene und umgriffene Formkörper ausgebildet sind. Ein Beispiel für einen umschließenden und umschlossenen Formkörper ist ein Kreisringsegment, an dessen Stirnseiten nasenförmige Ansätze ausgebildet sind, die bei der Positionierung in Vertiefungen, die an der Oberfläche eines Formkörpers, der einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, an dessen äußeren Umfang ausgebildet sind, eingeführt werden können und dort eine Klammerwirkung hervorrufen, die durch die Schwindung beim Sintern eine entsprechende Kraftwirkung im Fügebereich hervorruft, mit der die zu fügenden Formkörper aneinander gepresst werden.
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Bei der Erfindung besteht die Möglichkeit, mehr als zwei Formkörper zu einem Bauteil zu fügen. Dabei können auch geometrisch gleich gestaltete Formkörper miteinander gefügt oder an einem umgriffenen oder umschlossenen Formkörper zu einem Bauteil gefügt werden.
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Dabei können an einem umgreifenden Formkörper nutenförmige Vertiefungen an der äußeren Mantelfläche über den Umfang verteilt ausgebildet sein, in die umgriffene Formköper eingeführt und positioniert werden können, die nach der zweiten Wärmebehandlung die Verzahnung an einer Welle bilden können.
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Sämtliche Formkörper, die für die Herstellung eines Bauteils eingesetzt werden, sollten nicht nur aus dem gleichen pulverförmigen Werkstoff sondern auch mit jeweils gleicher Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung und/oder dem/den gleichen Zusatzstoff(en) hergestellt werden.
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Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass keine chemischen oder physikalischen Oberflächenmodifikationen der Fügeflächen durchgeführt werden müssen. Weiterhin kann auf eine externe druckunterstützte Sinterung (Drucksinterung und/oder heißisostatisches Pressen) verzichtet werden. Das Bauteilgewicht spielt eine untergeordnete Rolle. Nach der Sinterung unter Luft, Inertgas oder bei Vakuumbedingungen werden keine Körngrößenunterschiede zwischen Bulk und Fügezone, wie etwa beim Lasersintern festgestellt, die die Zähigkeit und Festigkeit des Bauteilwerkstoffes in der Fügezone herabsetzen. Mischphasen, die beispielsweise beim Reaktionsbinden vorhanden sein können, treten nicht auf. Es können gasdichte Verbindungen bis in den Ultrahochvakuumbereich erzielt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können aus einem sinterfähigen Pulver durch ein bekanntes Formgebungsverfahren, wie zum Beispiel den Pulverspritzguss, das uniaxiale Pressen, den Schlickerguss, der Mehrlagentechnologie oder weiteren Formgebungsverfahren Formkörper hergestellt werden. Von diesem formgegebenen Werkstoff wird eine Schwindungskurve in Abhängigkeit der jeweiligen Temperatur ermittelt. Dabei kann ein der Thermodilatometrie unterzogene Prüfkörper aus einer gleichermaßen hergestellten Probe herausgearbeitet werden. Dies betrifft insbesondere das eingesetzte Pulver mit seiner chemischen Zusammensetzung seiner Partikelgröße bzw. Partikelgrößenverteilung, die mit dem für die Herstellung der Bauteile eingesetzten Pulver übereinstimmen sollten.
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Anhand der Dilatometerkurve können die Sinterstart- und -endtemperaturen ermittelt werden. Dabei sollte beachtet werden, dass sämtliche Informationen aus dem Schwindungsverhalten die thermische Ausdehnung enthalten.
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Mindestens zwei Grünteile, die sowohl das sinterfähige Pulver, als auch organische Additive enthalten, die als temporäre Zusatzstoffe zur Formgebung dienen, werden derart einer Formgebung unterzogen oder nachbearbeitet, dass eine umschließende/umgreifende und eine umschlossene/umgriffene Geometrie an Oberflächen von Formkörpern ausgebildet wird.
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Die umschließende und/oder umgreifende Geometrie soll fortan als Nabe und die umschlossene und/oder umgriffene Geometrie als Welle bezeichnet werden, da es sich bei einem solchen Bauteil um ein typisches Bauteil handelt, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann. Selbstverständlich handelt ist es sich aber nur um ein Beispiel für ein mit der Erfindung herstellbares Bauteil.
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Die Nabe soll nachfolgend als ein Körper angesehen werden, der eine Welle derartig hinterschneiden oder umschließen kann, dass eine Klemmung der beteiligten, so geformten Formkörper bei der Schwindung während einer Wärmebehandlung erreicht wird. Eine Klemmung kann zum Beispiel bei konturparallelen runden, abgerundeten oder eckigen Geometrien erreicht werden. Es ist darauf zu achten, dass die umschlossene/umgriffene Geometrie eine geometrische Ähnlichkeit zur umschließenden/umgreifenden Geometrie im Fügebereich aufweist. So ist es möglich, dass sich die Konturen während der Schwindung formschlüssig anlegen. Dabei muss nach der Fügung wenigstens eine Fläche eines Formkörpers mit einer komplementär ausgebildeten Oberfläche eines anderen Formkörpers verbunden sein. Es ist nicht notwendig aber förderlich, wenn die Nabe die Welle vollständig umschließen kann, wobei ein Kontakt im Weißzustand nicht erforderlich ist.
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Bei einem thermischen, katalytischen oder extraktiven Behandlungsschritt, wird der organische Anteil der miteinander zu fügenden Formkörper in gleicher Form entfernt. Anschließend erfolgt eine erste Wärmebehandlung der Formkörper, wobei umschließende/umgreifende Formkörper und umschlossene/umgriffene Formkörper getrennt voneinander und mit jeweils unterschiedlichen maximalen Temperaturen wärmebehandelt werden.
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Das Gefüge eines Formkörpers, der einer Welle entspricht, muss einem höheren Sinterfortschritt unterliegen, als das bei einem Formkörper, der einer Nabe entspricht, der Fall ist. Die Nabengeometrie kann auch im Grün- oder Braunzustand verbleiben. Bei dieser ersten Wärmebehandlung darf das zweite Sinterstadium der beteiligten Formkörper nicht abgeschlossen sein.
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Eine Voraussetzung ist ein höherer Sinterfortschritt der Nabengeometrie im Vergleich zur Wellengeometrie. Diese Bedingung ermöglicht eine asynchrone relative Ausdehnungsänderung, der zu fügenden Formkörper, bei der zweiten Wärmebehandlung. Sie kann durch Variation der Sintertemperatur und Haltezeit im Sinterbereich des verwendeten Werkstoffs erfüllt werden.
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Im folgenden Verfahrensschritt wird anhand der Schwindungskurve und der Bauteilabmaße des verwendeten Werkstoffs eine genaue Berechnung der Größenverhältnisse der Formkörper zumindest im Fügebereich, in dem Formkörper miteinander verbunden werden sollen, durchgeführt. Idealerweise sollten bei allen Temperaturen die Abmaße aller Geometrien von Formkörpern bekannt sein. Da die mindestens teilweise umschließende Nabe eine größere Porosität, als die dabei teilweise umschlossene Welle aufweisen sollte, hat sie das Potential, während der zur Sinterung führenden zweiten Wärmebehandlung auf die Nabe auf zu schwinden. Anhand von Berechnungen und der Kenntnis über die Temperaturen der Vorsinterung (erste Wärmebehandlung) einschließlich der Formkörperabmaße ist es möglich, eine Temperatur zu bestimmen, bei der eine Kontaktbildung während der Cosinterung (zweite Wärmebehandlung) stattfindet. Die Cosinterung sollte dann durchgeführt werden, wenn die zu fügenden Formkörper so zueinander positioniert worden sind (konturparallel), dass sie bei der anschließenden, zur Sinterung führenden, zweiten Wärmebehandlung durch die Schwindung einen berührenden Kontakt an der/den gewünschten Position(en) ausbilden. Dies sollte der jeweilige Fügebereich sein.
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Dabei muss die Temperatur größer als die bei der ersten Wärmebehandlung, die man auch als Vorsinterung bezeichnen kann, sein. Insbesondere wird bei dieser Temperatur ein berechnetes Übermaß der Wellengeometrie zugegeben, um einen Druck in der Fügezone während der zweiten Wärmebehandlung ausüben zu können. Gegebenenfalls kann die Wellengeometrie auf das erforderliche Maß im vorgesinterten Zustand angepasst werden. Dies kann durch einen lokal gezielten Werkstoffabtrag erfolgen, der auch mechanisch, beispielsweise durch spanende Bearbeitung, erreicht wird.
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Es kann auch eine rauheitsreduzierende Behandlung der zu fügenden Oberflächen an den Formkörpern vor der zweiten Wärmebehandlung durchgeführt werden. Dadurch können die Bedingungen für ein sicheres Fügen der Formkörper verbessert werden.
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Insbesondere sollte die Kontakbildungstemperatur so gewählt sein, dass eine parallele Sinterung der zu fügenden Formkörper bis zur vollständigen Konsolidierung realisiert werden kann. Bei der Kontaktbildungstemperatur liegt bei den zu fügenden Formkörpern der gleiche Sinterfortschritt vor. Ein vorab zwischen den Fügebereichen, der zueinander positionierten Formkörper, vorhandener Spalt sollte bei Erreichen der Kontaktbildungstemperatur zumindest geschlossen und die miteinander zu fügenden Oberflächen von Formkörpern in unmittelbarem berührenden Kontakt stehen. Bei erreichen der Kontaktbildungstemperatur kann aber nicht nur der Spalt geschlossen sein, sondern infolge der Schwindung der Formkörper (Nabe) und des eingestellten Übermaßes bereits ein Druck im Bereich der sich unmittelbar berührenden Oberflächen der zu verbindenden Formköper wirken. Die Kontaktbildungstemperatur sollte kleiner als die maximale Temperatur bei der gemeinsamen zur vollständigen Sinterung führenden zweiten Wärmebehandlung der Formkörper und größer als die maximale Temperatur von zumindest einem der Formkörper bei der ersten Wärmebehandlung sein.
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Besonders niedrige Kontaktbildungstemperaturen sind vorteilhaft, um eine möglichst lange Cosinterungsphase bei der zweiten Wärmebehandlung zu realisieren. Diese fördern die Diffusionsvorgänge über die Fügezone hinweg. Während der Cosinterung wirkt sich der einachsige Druck positiv auf den Fügeprozess aus, da destruktive Unebenheiten der Fügeflächen während der Fügung ausgeglichen werden. Zusätzlich wirkt der Druck als Triebkraft. Es können gasdichte, form-, stoff- und kraftschlüssige Verbindungen hergestellt werden.
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Bei umgreifenden und/oder umschließenden Formkörpern sollte(n) bei der ersten Wärmebehandlung zumindest der/die enthaltene(n) Zusatzstoff(e) entfernt werden. Zumindest umgreifende Formkörper, bevorzugt alle miteinander zu fügende Formkörper sollten bei der ersten Wärmebehandlung nicht vollständig dicht gesintert worden sein.
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Wird eine monolithische Fügung beispielsweise vom Typ Welle-Nabe angestrebt, bei der gleichermaßen prozessierte und gesinterte Formkörper gleichen Werkstoffs miteinander verbunden werden sollen, kann trotz des Verzichts auf die Aufbringung eines externen Drucks während der Wärmebehandlung/Sinterung und ohne Zusatzstoffe eine Fügung ausgebildet werden, die keine Korngrößenunterschiede, keine Kornvergröberung sowie keine Mischphasen in der Fügezone aufweist.
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Es ist nicht notwendig, heißisostatisch zu verdichten. Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung ist es möglich, den bei naturgemäßer Schwindung sinterfähiger Pulver entstehenden Druck auszunutzen. Dieser reicht aus, um eine Diffusion über die Fügezone hinweg zu induzieren bzw. zu beeinflussen.
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Erfindungsgemäß können, aufgrund der großen Wandstärke als nicht defektfrei entbinderbar geltende Formkörper, modularisiert und anschließend gefügt werden. Das Bauteil besitzt die Eigenschaften des Ausgangswerkstoffs.
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Insbesondere thermisch induzierte Effekte, wie Wärmedehnung, Korrosionsverhalten und Erweichungs-/Zersetzungstemperatur können auf den Bereich der Fügezone adaptiert werden, da keine eigenschaftsverändernde Zwischenschicht benötigt wird und keine Korngrößenunterschiede oder Mischphasen entstehen.
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Es kann, je nach Gestaltung, eine Vielzahl von Fügungen erfolgen, die mit dem Welle-Nabe Prinzip realisiert werden können.
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Mit dem beschriebenen Fügen kann ein monolithisches Bauteil hergestellt werden, mit dem direkt die Finalgeometrie erhalten werden kann.
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Im fertig hergestellten Bauteil sind keine nachweisbaren Zusätze wie arteigene und/oder artfremde Werk- oder Zusatzstoffe enthalten. Selbst die Fügezone kann gasdicht ausgebildet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann für die Herstellung von Bauteilen angewendet werden, bei denen die Fügezone keine funktionalisierenden Aufgaben übernimmt. Besonders zeichnet sich die Reduzierung des verfahrenstechnischen Aufwandes bei gleichzeitigem Erhalt der hervorragenden typischen Eigenschaften des eingesetzten Werkstoffs aus. Es können beispielsweise rotationssymmetrisch ausgebildete Formkörper mit stark variierenden Querschnitten, wie z. B. Turbinenräder auf eine Welle gefügt und dabei ein solches Bauteil hergestellt werden.
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Mit der Erfindung können durch die Modularisierung eines Bauteils Energieeinsparungen während einer zur Entbinderung führenden Behandlung durch geringere Wandstärken und die somit einhergehende kürzere Entbinderungszeit erzielt werden. Besonders für großvolumige Bauteile verfügt die Erfindung über ein Steigerungspotential von Qualität und Wirtschaftlichkeit.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1a u. 1b einen umgreifenden Formkörper 1 in Form eines Kreisringes und einen kreisförmigen umgriffenen Formkörper 2 als Grünkörper;
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2 die beiden Formkörper 1 und 2 nach der ersten Wärmebehandlung zueinander positioniert, wobei der umgriffene Formkörper 2 in die Durchbrechung des als Kreisring ausgebildeten umgreifenden Formkörpers 1 eingeführt und dabei zwischen der inneren Mantelfläche des als Kreisring ausgebildeten Formkörpers 1 und der äußeren Mantelfläche des kreisförmigen Formkörpers 2 ein Spalt verblieben ist;
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3 die beiden Formkörper während der zweiten Wärmebehandlung bei Erreichen der Kontaktbildungstemperatur, bei der die Mantelflächen der beiden Formkörper, die den Fügebereich bilden, in unmittelbar berührenden Kontakt miteinander stehen und der Spalt dazwischen infolge der größeren Schwindung des umgreifenden Formkörpers 1, der bei einer kleineren Temperatur bei der ersten Wärmebehandlung, als der umgriffene Formkörper 2 wärmebehandelt worden ist, geschlossen worden ist;
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4a bis 4c zwei Formkörper, die so geformt und nach einer ersten Wärmebehandlung positioniert werden, dass sich während einer zweiten Wärmebehandlung eine Verbindung mit Hinterschneidung ausgebildet hat, bei der die Mantelflächen der beiden Formkörper, die den Fügebereich bilden, in unmittelbar berührenden Kontakt miteinander stehen und der Spalt dazwischen infolge der größeren Schwindung des umgreifenden Formkörpers 1, der bei einer kleineren Temperatur bei der ersten Wärmebehandlung, als der umgriffene Formkörper 2 wärmebehandelt worden ist, geschlossen worden ist (4c) und
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5a u. 5b zwei eckige Formkörper, die so geformt und nach einer ersten Wärmebehandlung positioniert werden, dass sich während einer zweiten Wärmebehandlung eine Verbindung mit Hinterschneidung ausgebildet hat, bei der die Mantelflächen der beiden Formkörper, die den Fügebereich bilden, in unmittelbar berührenden Kontakt miteinander stehen und der Spalt dazwischen infolge der größeren Schwindung des umgreifenden Formkörpers 1, der bei einer kleineren Temperatur bei der ersten Wärmebehandlung, als der umgriffene Formkörper 2 wärmebehandelt worden ist, geschlossen worden ist (5b).
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Beispiel 1
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Ein 99,7%-iges kommerzielles Aluminiumoxid Trockenpressgranulat (Granalox® NM9922 I, Fa. Nabaltec AG, mit einer mittleren Partikelgröße d50 im Bereich zwischen 50 μm bis 80 μm, Sinterdichte 3,90 g/cm3 bis 3,92 g/cm3) wird durch uniaxiales Trockenpressen bei 40 MPa zu plattenförmigen Proben gepresst. Die Proben werden anschließend mit 150 MPa kaltisostatisch nachverdichtet. Aus diesen Platten werden mittels Grünbearbeitung kreisrunde Formkörper 1 für Naben (∅ = 35 mm, h = 7 mm, 1a) mit mittiger, als Bohrung ausgebildeter Durchbrechung (∅ = 15 mm) herausgearbeitet. Weiterhin werden Formkörper 2 als kreisrunde Wellen (∅ = 17 mm, h = 7 mm, 1b) aus demselben Werkstoff herausgearbeitet. Die Fügung soll zwischen der Wellenaußenfläche und der Nabeninnenfläche stattfinden und ist vollumschließend kreisrund.
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Zur Bestimmung des Schwindungsverhaltens wird eine 5 × 5 × 10 mm3 große Probe aus einem gepressten Teil herausgearbeitet und einer Thermodilatometrie unterzogen. Dabei wird ein kalibriertes Dilatometer verwendet. Das Schwindungsverhalten wird von 100°C bis 1600°C aufgezeichnet.
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Bei den Grünteilen sollte darauf geachtet werden, dass kein Grat an den Fügeflächen übersteht, dieser ist gegebenenfalls zu entfernen. In einer thermischen Behandlung unter Luft werden die Proben im Ofen entbindert und vorgesintert. Dabei werden Wellen als umgriffenen Formkörper 2 bei 1300°C und 1400°C und Naben als umgreifende Formkörper 1 bei 1200°C und 1300°C bei der ersten Wärmebehandlung vorgesintert. Die isotherme Haltezeit beträgt jeweils 30 Minuten.
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Mittels der nach der Sinterung bestimmten Bauteilabmaßen und der Dilatometerkurve werden Berechnungen angestellt, die die erforderlichen Maße bei Raumtemperatur und während der zweiten Wärmebehandlung/Cosinterung liefern. Als Kontaktbildungstemperatur wird die Vorsinterungstemperatur der Welle gewählt. Dies hat den Vorteil, dass bei Kontaktbildung die Gefüge und Diffusionsvorgänge sehr ähnlich sind. Weiterhin soll eine möglichst tiefe Temperatur angestrebt werden, um eine möglichst lange schubspannungsreduzierte Diffusionsdauer zu erzielen, bei der Kornwachstum über die Fügezone hinweg stattfinden kann.
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Es werden sowohl die Paarungen der Wellen 1300°C und Naben 1200°C (Paarung 1) als auch Wellen 1400°C und Naben 1300°C (Paarung 2) gefügt, wobei die Kontaktbildungstemperatur bei Paarung 1 bei 1300°C und bei Paarung 2 bei 1400°C festgelegt wird. Die Wellen der Paarung 1 und Paarung 2 werden im vorgesinterten Zustand so hartbearbeitet, dass bei Kontaktbildungstemperatur ein theoretisches Übermaß von 50 μm bis 500 μm entstehen kann. Die Hartbearbeitung führt zu einem mechanischen Werkstoffabtrag an der zu fügenden Oberfläche. Die Oberfläche kann beispielsweise durch Schleifen bearbeitet werden. Die zum Teil hartbearbeiteten Teile werden mittels organischen Lösemitteln gereinigt, um eventuelle prozessbedingte Verunreinigungen sowie ausgebrochene Kristallite zu beseitigen.
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Beide Formkörper werden auf einer Al2O3-Sinterunterlage konzentrisch ineinandergelegt (2). Es ist ein Spalt zwischen den Fügeflächen zu erkennen. Anschließend werden die Paarungen bei 1620°C mit einer Haltezeit von 2 Stunden unter Luft gemeinsam der zweiten Wärmebehandlung unterzogen. Nach der zweiten Wärmebehandlung ist kein Spalt zwischen den Fügeflächen zu erkennen. Es hat eine Versinterung beider Formkörper stattgefunden, die auf die Kontaktbildung und den einachsigen Druck während der Diffusionsvorgänge bei höheren Temperaturen zurückzuführen ist (3).
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Nach der zweiten Wärmebehandlung kann bei REM-Aufnahmen kein Gefügeunterschied zwischen Welle und Nabe als den beiden miteinander gefügten Formkörpern festgestellt werden. Es findet in Abhängigkeit des Übermaßes Kornwachstum über die Fügezone hinaus statt.
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Der Einsatz von reibungsreduzierenden bzw. mitschwindenden Sinterunterlagen, Brennhilfsmitteln oder Pulvern kann Vorteile zumindest bei der zweiten Wärmebehandlung mit sich bringen, da die Positionierung der miteinander zu fügenden Formkörper dabei sicherer beibehalten werden kann. Außerdem können derartige Hilfsmittel zur Reproduzierbarkeit des gleichmäßigen Umschließens/Umgreifens beitragen. Es können nahezu porositätsfreie Fügungen hergestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112004001032 T5 [0012]
