DE102017206638A1

DE102017206638A1 - Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Formteils

Info

Publication number: DE102017206638A1
Application number: DE102017206638.5A
Authority: DE
Inventors: Dieter Maier; Josef Arnold
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2018-10-25

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Formteils (200, 300), mit folgenden Verfahrensschritten beschrieben:
-- in einem Spritzgussschritt (101) wird ein Spritzgussteil spritzgegossen,
-- in einem Beschichtungsschritt (103) wird das Spritzgussteil zumindest teilweise mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet, um ein beschichtetes Spritzgussteil zu erhalten, und
-- in einem Sinterschritt (104) wird das beschichtete Spritzgussteil zur Bildung des Formteils (200, 300) gesintert,wobei das Beschichtungsmaterial eine metallische Partikel aufweisende Suspension ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen eines Formteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren zum Herstellen eines Formteils ist aus der DE 10 2015 213 994 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird zunächst ein Spritzgussteil spritzgegossen. Das Spritzgussteil ist aus einem Grundmaterial gebildet, welches mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet wird. Das Beschichtungsmaterial umfasst eine Keramiksuspension. Das derart beschichtete Spritzgussteil wird dann gesintert, um ein beschichtetes Formteil mit einer verschleißbeständigen Beschichtung zu erhalten.
Das bekannte Verfahren hat sich in der Praxis durchaus bewährt, um Oberflächeneigenschaften des Formteils, wie beispielsweise die Verschleißbeständigkeit, einzustellen. Allerdings wäre es wünschenswert, wenn sich bei einem derartigen Herstellungsverfahren die Eigenschaften des Grundmaterials des Spritzgussteils einstellen lassen würden.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Erfindung die Aufgabe, die Modifikation von Werkstoffeigenschaften des Grundmaterials des Spritzgussteils zu ermöglichen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Formteils gemäß Anspruch 1 wird das Spritzgussteil in dem Beschichtungsschritt mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet, das eine metallische Partikel aufweisende Suspension ist. Gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich der Vorteil, dass Metallatome des Beschichtungsmaterials, insbesondere in dem Sinterschritt, in das Spritzgussteil diffundieren können. Hierdurch können Werkstoffeigenschaften des Spritzgussteils, insbesondere nahe der Oberfläche des Spritzgussteils, gezielt eingestellt werden. Anders als bei der Herstellung solcher Beschichtungen mittels Plasmaspritzen oder chemischer Gasphasenabscheidung (englisch: chemical vapour deposition, CVD) kann die während des Sinterschritts eingebrachte Energie genutzt werden, um die Diffusion zu beschleunigen und die Verbindung von Beschichtungsmaterial und Spritzgussteil zu bewirken.
Bevorzugt sind die metallischen Partikel aus einem Metall gebildet, welches aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Gold, Aluminium, Silber, Kupfer, Nickel, Titan, Platin, Chrom, Eisen, Molybdän, Niob, Tantal, Wolfram und Stahl umfasst. Besonders bevorzugt sind die metallischen Partikel aus mehreren Metallen ausgebildet, welche aus der vorstehend genannten Gruppe ausgewählt sind. Über die Auswahl des Metalls kann beispielsweise das magnetische Verhalten und/oder die Schweißbarkeit des gesinterten Formteils, insbesondere nahe seiner Oberfläche, eingestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die metallischen Partikel ferromagnetisch, insbesondere weichmagnetisch oder hartmagnetisch. Beispielsweise können die metallischen Partikel aus Eisen, Kobalt, Nickel oder einer ferromagnetischen Legierung gebildet sein. Durch die Verwendung von ferromagnetischen Partikeln können die magnetischen Eigenschaften des Spritzgussteils, insbesondere nahe seiner Oberfläche, eingestellt werden.
Gemäß einer alternativ bevorzugten Ausgestaltung sind die metallischen Partikel unmagnetisch. Beispielsweise können die metallischen Partikel aus einem austenitischen Stahl gebildet sein. Durch die Verwendung von unmagnetischen Partikeln können die magnetischen Eigenschaften des Spritzgussteils, insbesondere nahe seiner Oberfläche, eingestellt werden, beispielsweise derart, dass eine nicht-magnetische Trennschicht gebildet wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das Spritzgussteil aus einem Ausgangsmaterial spritzgegossen wird, das ein Metallpulver und einen Binder enthält. Metallpulver und Binder bilden bevorzugt eine homogene Masse, die durch eine Spritzgussvorrichtung verarbeitet werden kann. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Verfahrens ist es möglich, ein beschichtetes Formteil zu erhalten, das aus einem metallischen Grundmaterial und einem metallischen Beschichtungsmaterial gebildet ist.
Eine alternativ bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Spritzgussteil aus einem Ausgangsmaterial spritzgegossen wird, das ein Keramikpulver und einen Binder enthält. Keramikpulver und Binder bilden bevorzugt eine homogene Masse, die durch eine Spritzgussvorrichtung verarbeitet werden kann. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Verfahrens ist es möglich, ein beschichtetes Formteil zu erhalten, das aus einem keramischen Grundmaterial und einem metallischen Beschichtungsmaterial gebildet ist. Beispielsweise kann ein Formteil aus einem Metall-Keramik-Gradientenwerkstoff gebildet werden.
Bevorzugt wird in dem Spritzgussschritt ein Binder verwendet, der ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Polyacrylate, Ethylzellulose, Polyvinylalkohol und Polyvinylbutyral.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Verfahren einen Entbinderungsschritt auf, in welchem das Spritzgussteil mittels eines Lösungsmittels und/oder mittels thermischer Extraktion entbindert wird, um Binder aus dem Spritzgussteil zu entfernen. Vor dem Entbinderungsschritt wird das Spritzgussteil auch als Grünling oder Grünteil bezeichnet. Nach dem Entbinderungsschritt wird das Spritzgussteil auch als Bräunling oder Braunteil bezeichnet.
In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Beschichtungsschritt vor dem Entbinderungsschritt durchgeführt wird.
Alternativ ist es vorteilhaft, wenn der Beschichtungsschritt nach dem Entbinderungsschritt durchgeführt wird. Das bedeutet, dass die Beschichtung auf den Bräunling bzw. das Braunteil aufgebracht wird. Das Beschichtungsmaterial kann in die offenporige Oberfläche des Spritzgussteils eindringen, so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Grundmaterial des Spritzgussteils und dem Beschichtungsmaterial ermöglicht wird.
Bevorzugt ist es, wenn das Spritzgussteil in dem Beschichtungsschritt mittels Siebdruck, einer Gießtechnik, Eintauchen in das Beschichtungsmaterial und/oder Schleuderguss beschichtet wird. Somit wird es möglich, über ein im Gegensatz zum Plasmaspritzen oder zur chemischen Gasphasenabscheidung weniger aufwändiges Beschichtungsverfahren eine funktionelle Beschichtung bereitzustellen.
Bevorzugt weist das Verfahren einen dem Sinterschritt vorhergehenden Verbindungsschritt auf, in welchem das beschichtete Spritzgussteil in einem mit einem Beschichtungsmaterial beschichteten Bereich mit einem weiteren Bauteil, insbesondere einem weiteren Spritzgussteil, verbunden wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass in dem nachfolgenden Sinterschritt ein Formteil erhalten wird, welches aus zwei stoffschlüssig verbundenen Bauteilen, insbesondere Spritzgussteilen, gebildet ist, die über das Beschichtungsmaterial verbunden sind. Insofern können Formteile mit komplexer Struktur erhalten werden.
Besonders bevorzugt ist das weitere Bauteil aus einen anderen Material als das beschichtete Spritzgussteil ausgebildet, so dass ein Formteil erhalten wird, welches Bereiche aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialen aufweist. Alternativ bevorzugt ist das weitere Bauteil aus demselben Material wie das beschichtete Spritzgussteil ausgebildet, so dass ein Formteil erhalten wird, welches mindestens zwei aus demselben Material bestehende Bereiche aufweist, die durch einen Bereich aus dem Beschichtungsmaterial verbunden sind. Beispielsweise kann das Material des Spritzgussteils und des weiteren Bauteils ein ferromagnetisches Material sein und das Beschichtungsmaterial ein unmagnetisches Material, so dass Formteil mit einer magnetischen Isolierschicht gebildet werden kann.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei das Verfahren zusätzlich einen, dem Sinterschritt vorhergehenden Verbindungsschritt aufweist, in welchem das beschichtete Spritzgussteil mit einem weiteren Bauteil, insbesondere einem weiteren Spritzgussteil, verbunden wird. Das Verfahren bietet gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass in dem Sinterschritt ein Formteil erhalten wird, welches aus zwei stoffschlüssig verbundenen Bauteilen, insbesondere Spritzgussteilen, gebildet ist, die über das Beschichtungsmaterial verbunden sind. Das Beschichtungsmaterial kann beispielsweise eine elektrische isolierende Zwischenschicht sein.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figurenliste

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines Formteils gemäß der Erfindung in einem schematischen Ablaufdiagramm.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiels eines Formteils, dass gemäß dem in 1 gezeigten Verfahren hergestellt ist.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines Formteils gemäß der Erfindung in einem schematischen Ablaufdiagramm.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Formteils, dass gemäß dem in 3 gezeigten Verfahren hergestellt ist.

Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Formteils 200. Bei dem Formteil kann es sich beispielsweise um einen Anker eines Magnetventils, insbesondere einen Anker eines Kraftstoffeinspritzventils, handeln.
In einem ersten Bereitstellungsschritt 100 wird ein Ausgangsmaterial bereitgestellt, welches eine Mischung aus einem Pulver und einem Binder ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Pulver um ein Metallpulver. Alternativ kann ein Keramikpulver zum Einsatz kommen. Der Binder ist bevorzugt ein Polyacrylat, Ethylzellulose, Polyvinylalkohol oder Polyvinylbutyral. In dem Bereitstellungsschritt 100 wird das Pulver mit dem Binder in einer Mischvorrichtung gemischt und homogenisiert. Dieses Gemisch kann in einer Granuliervorrichtung zu einem Granulat aufbereitet werden.
In einem dem Bereitstellungsschritt 100 nachfolgenden Spritzgussschritt 101 wird das Ausgangsmaterial einer Spritzgussvorrichtung zugeführt. In der Spritzgussvorrichtung wird aus dem Ausgangsmaterial ein Spritzgussteil spritzgegossen. Dieses Spritzgussteil weist bereits in etwa die Form des herzustellenden Formteils auf und wird auch als Grünling oder Grünteil bezeichnet.
Das Spritzgussteil wird in einem Entbinderungsschritt 102 mittels eines Lösungsmittels und/oder mittels thermischer Extraktion entbindert. In dem Entbinderungsschritt 102 wird dem Spritzgussteil der Binder entzogen. Das entbinderte Spritzgussteil wird auch als Bräunling oder Braunteil bezeichnet und weist in der Regel eine offenporige Oberfläche auf.
In einem auf den Entbinderungsschritt 102 folgenden Beschichtungsschritt 103 wird das Spritzgussteil dann zumindest teilweise mit einer metallische Partikel aufweisenden Suspension beschichtet, um ein beschichtetes Spritzgussteil zu erhalten. Das Beschichten des Spritzgussteils erfolgt mittels Siebdruck, einer Gießtechnik, Eintauchen in das Beschichtungsmaterial und/oder Schleuderguss.
Nach dem Beschichtungsschritt 103 wird das beschichtete Spritzgussteil in einem Sinterschritt 104 zur Bildung des Formteils 200 gesintert. In dem Sinterschritt 104 wird das beschichtete Spritzgussteil durch Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur verdichtet und ausgehärtet. Dabei diffundieren Metallatome des Beschichtungsmaterials in das Spritzgussteil. In einem Bereich nahe der Oberfläche des Spritzgussteils werden daher die Werkstoffeigenschaften des Spritzgussteils gezielt verändert. Über die Auswahl des Metalls kann beispielsweise das magnetische Verhalten und/oder die Schweißbarkeit des Spritzgussteils, insbesondere nahe seiner Oberfläche, eingestellt werden. Beispielsweise können die metallischen Partikel ferromagnetisch, insbesondere weichmagnetisch oder hartmagnetisch, sein. Alternativ können die metallischen Partikel unmagnetisch sein.
Das in dem Sinterschritt 104 erhaltene Formteil 200 weist geringere Abmessungen auf als das Spritzgussteil, da es beim Sintern zu einer Verdichtung kommt.
Gemäß einer Abwandlung des in 1 gezeigten Verfahrens wird der Beschichtungsschritt 103 vor dem Entbinderungsschritt 102 ausgeführt. Das bedeutet, dass der Grünling bzw. das Grünteil mit der metallische Partikel aufweisenden Suspension beschichtet wird.
Die Darstellung in 2 zeigt ein Formteil 200, welches mit dem Verfahren gemäß 1 hergestellt ist. Das Formteil 200 weist einen Grundkörper 201 aus einem Grundmaterial auf, der bereichsweise mit einer Beschichtung 202 versehen ist. Die Beschichtung 202 ist aus einer metallische Partikel aufweisenden Suspension gebildet. Durch das Sintern ist die Beschichtung stoffschlüssig mit dem Grundkörper 201 verbunden. Ferner sind die Materialeigenschaften des Grundkörpers einem an die Beschichtung 202 angrenzenden Bereich des Grundkörpers 201 durch in den 201 Grundkörper eindiffundierte Metallatome verändert.
In der 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Formteils 300 gezeigt. Dieses Verfahren basiert auf dem in 1 dargestellten Verfahren und weist zusätzlich einen Verbindungsschritt 105 auf, welcher vor dem Sinterschritt 104 durchgeführt wird. In dem Verbindungsschritt wird das beschichtete Spritzgussteil in einem mit einem Beschichtungsmaterial beschichteten Bereich mit einem weiteren Bauteil, insbesondere einem weiteren Spritzgussteil, verbunden. In dem nachfolgenden Sinterschritt 104 wird daher ein Formteil 300 erhalten, welches aus zwei stoffschlüssig verbundenen Bauteilen, insbesondere Spritzgussteilen, gebildet ist, die über das Beschichtungsmaterial verbunden sind. Insofern können Formteile mit komplexer Struktur erhalten werden.
Das weitere Bauteil kann aus demselben Material wie das Spritzgussteil ausgebildet sein oder aus einen anderen Material als das beschichtete Spritzgussteil.
In der 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Formteils 300 abgebildet, welches mit einem Verfahren gemäß 3 erhalten werden kann. Dieses Formteil 300 weist einen ersten Bereich 301 auf, der mit einem zweiten Bereich 303 über eine Trennschicht 302 verbunden ist. Die Trennschicht 302 ist durch ein Beschichtungsmaterial gebildet, welches in dem Beschichtungsschritt 103 auf das Spritzgussteil aufgebracht wurde. Bei dem Beschichtungsmaterial kann es sich um eine metallische Partikel aufweisende Suspension handeln. Durch den Sinterschritt hat sich das Beschichtungsmaterial sowohl mit dem Spritzgussteil auf das es aufgebracht wurde als auch mit dem weiteren Spritzgussteil verbunden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015213994 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Formteils (200, 300), mit folgenden Verfahrensschritten: -- in einem Spritzgussschritt (101) wird ein Spritzgussteil spritzgegossen, -- in einem Beschichtungsschritt (103) wird das Spritzgussteil zumindest teilweise mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet, um ein beschichtetes Spritzgussteil zu erhalten, und -- in einem Sinterschritt (104) wird das beschichtete Spritzgussteil zur Bildung des Formteils (200, 300) gesintert, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial eine metallische Partikel aufweisende Suspension ist.
Verfahren nach Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Partikel ferromagnetisch, insbesondere weichmagnetisch oder hartmagnetisch, sind.
Verfahren nach Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Partikel unmagnetisch sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgussteil aus einem Ausgangsmaterial spritzgegossen wird, das ein Metallpulver und einen Binder enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgussteil aus einem Ausgangsmaterial spritzgegossen wird, das ein Keramikpulver und einen Binder enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritt: -- in einem Entbinderungsschritt (102) wird das Spritzgussteil mittels eines Lösungsmittels und/oder mittels thermischer Extraktion entbindert, um Binder aus dem Spritzgussteil zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungsschritt (103) vor dem Entbinderungsschritt (102) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungsschritt (103) nach dem Entbinderungsschritt (102) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgussteil in dem Beschichtungsschritt (103) mittels Siebdruck, einer Gießtechnik, Eintauchen in das Beschichtungsmaterial und/oder Schleuderguss beschichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, gekennzeichnet durch folgenden, dem Sinterschritt (104) vorhergehenden Verfahrensschritt: -- in einem Verbindungsschritt (105) wird das beschichtete Spritzgussteil in einem mit einem Beschichtungsmaterial beschichteten Bereich mit einem weiteren Bauteil, insbesondere einem weiteren Spritzgussteil, verbunden.