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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Behandlungsvorrichtung zur Herstellung von pulvermetallurgischen Sinterformteilen, wobei zunächst die Herstellung eines Formteilrohlings durch Pressen einer Pulvermaterialmischung in einer Form und Sintern der gepressten Pulvermaterialmischung erfolgt.
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Pulvermetallurgische Sinterformteile werden regelmäßig in Vorrichtungen und Maschinen verbaut, wenn poröse Bauteile oder Bauteile mit besonderen Festigkeitseigenschaften vorteilhaft nutzbar sind. So ist es möglich anhand einer Zusammensetzung einer Pulvermaterialmischung Eigenschaften des Sinterformteils gezielt zu beeinflussen. Bei der Herstellung eines Sinterformteils erfolgt zunächst eine Durchmischung von Metallpulvern mit gegebenenfalls Zuschlagsstoffen und nachfolgend ein Pressen der Pulvermaterialmischung in einer Form. Währenddessen oder nachfolgend erfolgt eine Wärmebehandlung, bei der durch Oberflächendiffusion zwischen benachbarten Pulverpartikeln der Pulvermaterialmischung ein Sinterformteil ausgebildet wird. Weiter kann es vorgesehen sein, das Sinterformteil beziehungsweise einen so ausgebildeten Formteilrohling durch erneutes, nachfolgendes Pressen in einer Form zu kalibrieren. Dabei wird der Formteilrohling auf ein gewünschtes Endmaß gebracht, da beim Sintern ein gegebenenfalls eintretender Volumenverlust nicht immer genau bestimmbar ist. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, nach dem Kalibrieren beziehungsweise Verdichten des Formteilrohlings diesen noch wärmezubehandeln, beispielsweise durch Einsatzhärten, wobei abschließend das fertige Sinterformteil erhalten wird.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung von pulvermetallurgischen Sinterformteilen ist es nachteilig, dass die Formteilrohlinge zur Durchführung eines Wärmebehandlungsschritts mehrfach transportiert werden müssen, wobei die abschließende Wärmebehandlung der Formteilrohlinge, beispielsweise innerhalb eines Ofens, zeitaufwendig ist. Darüber hinaus ist es nachteilig, dass sich durch das Wärmebehandeln der Formteilrohlinge die beim Kalibrieren eingebrachten, durchaus vorteilhaften Druckeigenspannungen wieder beseitigt werden. Beim Verdichten beziehungsweise Kalibrieren können auch leichte, sogenannte Aufschuppungen entstehen, wobei dann bei der nachfolgenden Wärmebehandlung im Bereich der Aufschuppungen keine Sinterbrücken ausgebildet werden können, weshalb sich bei einer späteren Verwendung des Sinterformteils diese Aufschuppungen herauslösen können, was wiederum zum Ausfall des Sinterformteils führt. Dieser Umstand ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das Sinterformteil im Bereich seiner Oberfläche, durch beispielsweise Abwälzen mit einem Wälzkörper, stark mechanisch beansprucht wird. Bei derartigen Sinterformteilen besteht die Gefahr einer Grübchenbildung, welche zum Ausfall des Sinterformteils führt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von pulvermetallurgischen Sinterformteilen sowie eine Behandlungsvorrichtung zur Behandlung von Formteilrohlingen pulvermetallurgischer Sinterformteile vorzuschlagen, welches beziehungsweise welche eine kostengünstige Herstellung von Sinterformteilen mit einer verbesserten Verschleißfestigkeit ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Behandlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von pulvermetallurgischen Sinterformteilen erfolgt zunächst die Herstellung eines Formteilrohlings durch Pressen einer Pulvermaterialmischung in einer Form und Sintern der gepressten Pulvermaterialmischung, wobei nachfolgend mittels eines Wälzkörpers einer Walzeinrichtung ein Material des Formteilrohlings in einer Randzone einer Oberfläche des Formteilrohlings umgeformt wird.
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Dadurch, dass die Walzeinrichtung einen Wälzkörper aufweist, mit dem das Umformen der Randzone der Oberfläche erfolgt, wird es möglich über den Wälzkörper einen definierten Druck auf die Oberfläche des Formteilrohlings auszuüben. Der Formteilrohling kann dann an seiner gesamten Oberfläche oder auch nur in einem Oberflächenbereich, innerhalb dem eine Verbesserung einer Verschleißeigenschaft erfolgen soll, mit dem Wälzkörper behandelt werden. Die Oberfläche oder der Oberflächenbereich kann mit dem Wälzkörper durch sukzessives Bearbeiten der Oberfläche glatt gewalzt beziehungsweise fest gewalzt werden. Neben einer Verbesserung einer Oberflächenrauheit ergibt sich auch eine Verbesserung der Verschleißeigenschaften der so behandelten Oberfläche. Da eine entsprechende Behandlung der Oberfläche nur in den Bereichen des Formteilrohlings erforderlich ist, in denen auch ein Verschleiß der Oberfläche zu erwarten ist, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine besonders kostengünstige Herstellung verschleißfester Sinterformteile. Wesentlich ist dabei, dass durch das Ausüben eines Drucks auf die Oberfläche des Sinterformteils mit dem Wälzkörper nur die Randzone des Formteilrohlings beziehungsweise ein Material der Randzone umgeformt wird. Eine Tiefe der Randzone, ausgehend von der Oberfläche, ergibt sich aus einer auf die Oberfläche bewirkten Druckkraft der Walzeinrichtung, deren Folge die Umformung des Materials ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine überwiegend plastische Umformung des Materials in der Randzone erfolgt. Bei der plastischen Verformung des Materials in der Randzone wird insbesondere eine Fließgrenze des Materials beziehungsweise von Pulvermaterialpartikeln infolge der durch den Wälzkörper einwirkenden Druckspannung überschritten.
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Weiter kann vorgesehen sein, das Material in der Randzone zu verdichten. Durch das Verdichten des Materials kann dann beispielsweise auch eine Dichte beziehungsweise Rohdichte des Materials der Randzone des Sinterformteils vorteilhaft erhöht werden. Mit einer Erhöhung der Dichte kann gleichzeitig eine Bruchdehnung, eine Ermüdungsfestigkeit, eine Hertzsche Pressung, eine Schlagzähigkeit, eine Wechselfestigkeit und eine Zugfestigkeit wesentlich erhöht werden. Eine Verschleißfestigkeit der Randzone wird dann deutlich verbessert. Eine Dichte eines verwendeten Sinterstahls kann beispielsweise 6,4 g/cm3 bis 7,8 g/cm3 betragen.
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Weiter kann bei dem Umformen ein Längenmaß des Formteilrohlings relativ zu der Oberfläche des Formteilrohlings verringert werden. Insbesondere, wenn das Material in der Randzone verdichtet wird, kann sich diese Veränderung des Längenmaßes ergeben. Das Längenmaß kann beispielsweise ein Durchmesser eines rotationssymmetrischen Formteilrohlings oder ein anderes beliebiges Maß an einem Formteilrohling sein. Mittels des Verfahrens kann dann auch vorgesehen sein, den Formteilrohling im Bezug auf seine funktionswesentlichen Maße zu kalibrieren. Ein mit dem Wälzkörper auf die Oberfläche ausgeübter Druck kann dann so bemessen sein, dass ein gewünschtes Längenmaß nach der Behandlung erhalten wird.
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Bei dem Umformen kann das Material in der Randzone mittels des Wälzkörpers mit einer vergleichsweise niedrigeren Porosität ausgebildet werden als das Material einer Kernzone des Formteilrohlings. Der Formteilrohling kann nach dem Sintern eine Porosität von beispielsweise 10 % oder weniger aufweisen. Mittels des Umformens der Randzone können die Pulvermaterialpartikel so weit verdichtet werden, dass die Porosität in der Randzone vergleichsweise geringer ist als in der Kernzone, in der keine Verdichtung beziehungsweise Umformung des Materials erfolgt ist. Beispielsweise kann eine Porosität der Randzone geringer 1 % sein.
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Auch kann vorgesehen sein, dass der Formteilrohling vor dem Umformen mit der Walzeinrichtung gehärtet wird, wobei der Formteilrohling dann mit einem überwiegend martensitischen und/oder bainitischen Gefüge ausgebildet werden kann. Die Ausbildung eines martensitischen und/oder bainitischen Gefüges ist besonders vorteilhaft, da das dann aus Stahl ausgebildete Sinterformteil eine erhöhte Festigkeit aufweist. Diese Festigkeit kann in der Randzone durch die Behandlung mit der Walzeinrichtung noch weiter erhöht werden. Auch das Material in der Kernzone kann dann unabhängig von einer nachfolgenden Behandlung der Randzone gehärtet sein.
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So können bei dem Umformen in dem Material der Randzone Druckeigenspannungen ausgebildet werden. Die Druckeigenspannungen werden in der Randzone durch das Umformen des Materials indiziert und haben einen wesentlichen Einfluss auf eine Erhöhung einer Verschleißfestigkeit, und damit auf eine Bauteillebensdauer. Unter einer Kernzone werden hier alle Bereiche des Formteilrohlings verstanden, die nicht der umgeformten Randzone zugerechnet werden können. Die Kernzone kann daher auch an einen Oberflächenbereich des Formteilrohlings angrenzen.
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Das Verfahren ist besonders einfach durchführbar, wenn eine Kaltumformung des Materials in der Randzone mittels des Wälzkörpers erfolgt. Bei der Kaltumformung beziehungsweise Kaltverformung erfolgt eine plastische Verformung des Materials der Randzone unterhalb einer Rekristallisationstemperatur des Materials. Auch durch die Kaltumformung wird es bereits möglich eine Festigkeit der Randzone wesentlich zu verbessern.
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Alternativ kann die Randzone unmittelbar vor dem Umformen mit der Walzeinrichtung mittels einer Heizeinrichtung erwärmt werden. Die Walzeinrichtung und die Heizeinrichtung können dann Teil einer Behandlungsvorrichtung sein. Die Heizeinrichtung kann so beschaffen sein, dass im Wesentlichen das Material der Randzone erwärmt wird, welches unmittelbar nachfolgend dem Erwärmen mit der Walzeinrichtung umgeformt wird. Durch dieses Erwärmen kann bereits eine Änderung eines Gefüges des Materials der Randzone vor dem Umformen bewirkt werden, wodurch vorteilhafte Eigenschaften der Randzone erzielt werden können. Das Erwärmen des Materials der Randzone kann bis zum lokalen Erweichen des Materials erfolgen, wodurch eine lokale Umformung und Verdichtung des Materials einfacher Duchführbar wird. Wenn beispielsweise das Material der Randzone in einem vorangehenden Arbeitsschritt bereits gehärtet wurde, kann eine Rissbildung in der Randzone durch das Erwärmen verhindert werden.
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Das Erwärmen des Materials kann mittels Induktion, Laserlicht oder einer Gasflamme der Heizeinrichtung erfolgen. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise aus einem Laser gebildet sein, dessen Strahl auf die Oberfläche des Formteilrohlings gerichtet wird, und der die Oberfläche, und damit auch die Randzone in diesem Bereich, erwärmt. Vorteilhaft ist hier, dass der Laserstrahl besonders genau auf der Oberfläche positioniert und eine Wärmeleistung, durch beispielsweise ein Unterbrechen des Laserstrahls, leicht geregelt werden kann. Auch kann die Heizeinrichtung von einem Brenner ausgebildet sein, mittels dem eine Gasflamme auf die Oberfläche gerichtet wird. Eine derartige Heizeinrichtung ist besonders kostengünstig erhältlich.
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Das Erwärmen mittels der Heizeinrichtung kann unter einer Schutzgasathmosphäre erfolgen. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise eine Düse aufweisen, über die Schutzgas auf die Oberfläche des Formteilrohlings in Form eines Strahls gerichtet wird. Das Schutzgas kann dann die erwärmte Randzone umgeben bzw. umspülen und so beispielsweise eine Verzunderung des Material an der Oberfläche verhindern.
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Eine lokale Erwärmung der Randzone kann auf zumindest 500 °C, bevorzugt zumindest 723 °C erfolgen, wobei in der Randzone ein überwiegend austenitisches Gefüge ausgebildet werden kann. Durch die lokale Erwärmung der Randzone kann verhindert werden, dass ein Gefüge einer Kernzone des Formteilrohlings verändert wird. Die lokale Erwärmung der Randzone erfolgt dann bis zu einer Temperatur, die in Abhängigkeit eines Kohlenstoffgehalts und von Legierungszusätzen der Pulvermaterialmischung eine Gefügeänderung des Materials der Randzone in überwiegend austenitisches Gefüge bewirkt. Beispielsweise kann eine lokale Erwärmung auf 750 °C vorgesehen sein. Die Erwärmung darf jedoch nicht so weit erfolgen, dass das Material in eine Schmelze übergeht. Durch alleine das lokale Erwärmen der Randzone kann auf eine zeitaufwendige Erwärmung in einem Ofen, bei dem darüber hinaus ein Gefüge des gesamten Formteilrohlings umgewandelt werden würde, verzichtet werden.
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So kann auch ein Warmumformen des Materials in der Randzone mit der Walzeinrichtung erfolgen. Insbesondere, wenn die Randzone lokal erwärmt wurde, kann mittels des Warmumformens die Randzone besonders tief und stark verdichtet ausgebildet werden.
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Nachfolgend kann die Randzone unmittelbar nach der Umformung mit der Walzeinrichtung mittels einer Kühleinrichtung abgekühlt werden. Das durch das lokale Erwärmen ausgebildete Gefüge kann dann wieder vorteilhaft verändert werden. Die Kühleinrichtung kann jede Art von Einrichtung, mittels der ein kurzfristiges Abkühlen beziehungsweise Abschrecken des Materials der Randzone möglich sein.
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Das Kühlen kann mittels eines gasförmigen oder flüssigen Kühlmediums der Kühleinrichtung erfolgen. Beispielsweise kann ein Strahl kalten Gases oder ein flüssiges Kühlmedium, wie Wasser oder Öl, auf einen lokal erwärmten Bereich der Randzone gerichtet werden.
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Der Formteilrohling der Randzone kann durch das Kühlen mit der Kühleinrichtung gehärtet werden, wobei der Formteilrohling in der Randzone mit einem überwiegend martensitischen und/oder bainitischen Gefüge ausgebildet werden kann. Durch das partielle Härten der Randzone nach dem vorangegangenen Umformen können die durch das vorangegangene Erwärmen beseitigten Druckeigenspannungen der Randzone wieder ausgebildet werden. So ist es möglich eine hochdichte Randzone auszubilden, die gleichzeitig eine große Härte aufweist.
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Die Pulvermaterialmischung kann zumindest aus Eisen, Kupfer und Kohlenstoff ausgebildet werden. So ist es dann auch möglich ein Stahlsinterformteil auszubilden. Weiter können als Legierungsbestandteile Molybdän, Nickel, Chrom und Mangan hinzugefügt werden. Diese Legierungsbestandteile können als Pulvermaterial zu der Pulvermaterialmischung hinzugefügt oder bereits in Stahlpulvermaterial enthalten sein. So kann auch ein Härten des Formteilrohlings und ein Erzielen einer großen Härte beziehungsweise des gewünschten Gefüges der Randzone durch die Auswahl der Legierungsbestandteile begünstigt werden.
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Die erfindungsgemäße Behandlungsvorrichtung zur Behandlung von durch Pressen einer Pulvermaterialmischung in einer Form und Sintern der gepressten Pulvermaterialmischung hergestellten Formteilrohlingen pulvermetallurgischer Sinterformteile weist eine Walzeinrichtung mit einem Wälzkörper auf, wobei mittels der Walzeinrichtung ein Material des Formteilrohlings in einer Randzone einer Oberfläche des Formteilrohlings umformbar ist, wobei die Behandlungsvorrichtung eine Heizeinrichtung aufweist, wobei mittels der Heizeinrichtung die Randzone unmittelbar vor der Umformung mit der Walzeinrichtung erwärmbar ist. Da mit der Behandlungsvorrichtung eine partielle Erwärmung der Randzone der Oberfläche möglich ist, wird die Randzone neben einer Verdichtung von Material der Randzone auch besonders kostengünstig ausbildbar. Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Öfen zum Wärmebehandeln von Formteilrohlingen wird es so möglich mit einem sehr geringen Energieaufwand eine vollständige oder auch nur eine partielle Wärmebehandlung der Oberfläche des Formteilrohlings durchzuführen, wodurch sich Kostenvorteile bei der Herstellung des Sinterformteils ergeben.
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Die Behandlungsvorrichtung kann an einer Drehmaschine, Bohrmaschine oder Fräsmaschine anwendbar sein, wobei der Wälzkörper eine Kugel oder eine Rolle sein kann. Die Rolle kann auch in Form eines Rades ausgebildet sein. Die Behandlungsvorrichtung kann dann auch an einer handelsüblichen Maschine, die im Wesentlichen nicht verändert werden muss, eingesetzt werden. Die Maschine kann je nach Art des herzustellenden Sinterformteils ausgewählt werden. Bei einem rotationssymmetrischen oder exzentrischen Drehteil kann die Behandlungsvorrichtung beispielsweise an einem Support einfach befestigt werden. Eine Druckkraft kann über die Maschine selbst oder über eine hydraulische Einrichtung der Behandlungsvorrichtung erzeugt und über den Wälzkörper auf die Randzone ausgeübt werden. Ebenfalls kann je nach Gestalt des zu erzeugenden Sinterformteils als ein Wälzkörper eine Kugel oder eine Rolle verwendet werden. Die zu behandelnde Oberfläche des Formteilrohlings kann dann mittels der Kugel oder Rolle in beispielsweise Bahnen abgefahren beziehungsweise behandelt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Bahnen strukturiert nebeneinander verlaufen oder zufällig bestimmt werden.
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Die Behandlungsvorrichtung kann eine Kühleinrichtung umfassen, wobei die Heizeinrichtung, die Walzeinrichtung und die Kühleinrichtung in einer Bearbeitungsrichtung der Oberfläche des Formteilrohlings aufeinanderfolgend und benachbart angeordnet sein können. Beispielsweise kann vorgesehen sein, die Kühleinrichtung, die Walzeinrichtung und die Heizeinrichtung in einem Gehäuse der Behandlungsvorrichtung zu verbauen, wobei auch eine voneinander getrennte Anordnung denkbar ist. Wesentlich ist, dass ein Erwärmen, ein Umformen und ein Kühlen der Randzone in einem möglichst kurzen Zeitabstand aufeinanderfolgend erfolgt, sodass eine besonders dichte Anordnung der Heizeinrichtung, Walzeinrichtung und Kühleinrichtung relativ zueinander vorteilhaft ist. Unter einer Bearbeitungsrichtung wird hier die Richtung verstanden, in der der Wälzkörper an der Oberfläche des Formteilrohlings bewegt wird. Die Heizeinrichtung kann daher in der Bearbeitungsrichtung vor der Walzeinrichtung und die Kühleinrichtung in der Bearbeitungsrichtung nach der Walzeinrichtung angeordnet sein.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen einer Behandlungsvorrichtung ergeben sich aus den Merkmalen der auf den Verfahrensanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
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Die Figur zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Behandlungsvorrichtung 10 an einem Formteilrohling 11 in einer Seitenansicht. Der Formteilrohling 11 ist durch Pressen einer hier nicht näher dargestellten Pulvermaterialmischung in einer Form und Sintern der gepressten Pulvermaterialmischung hergestellt. Auf einer Oberfläche 12 des Formteilrohlings 11 wird nun die Behandlungsvorrichtung 11 in Richtung einer Längsachse 13 in einer hier mit einem Pfeil 14 gekennzeichneten Bearbeitungsrichtung an der Oberfläche 12 entlang geführt. Die Behandlungsvorrichtung 10 umfasst eine Heizeinrichtung 15, eine Walzeinrichtung 16 und eine Kühleinrichtung 17, die in der Bearbeitungsrichtung aufeinanderfolgend und benachbart angeordnet sind. Die Heizeinrichtung 15 ist aus einem Laser 18 ausgebildet, der mit Laserlicht 19 beziehungsweise einem Laserstrahl die Oberfläche 12 des Formteilrohlings 11 auf zumindest 500 °C oder mehr erwärmt, sodass sich ein Erwärmungsbereich 20 innerhalb des Formteilrohlings 11 ergibt. Die Walzeinrichtung 16 weist einen Wälzkörper 21 auf, der hier als Kugel 22 ausgebildet und in einem Kugelhalter 23 der Walzeinrichtung 16 hydrostatisch gelagert ist. Über die Walzeinrichtung 16 wird mit der Kugel 22 eine Druckkraft auf die Oberfläche 12 ausgeübt. Durch die Ausübung der Druckkraft kommt es zu einer Umformung von Material des Formteilrohlings 11 in einer Randzone 24 der Oberfläche 12. Das Material des Formteilrohlings 11 wird in der Randzone 24 plastisch umgeformt und verdichtet. Material einer Kernzone 25 des Formteilrohlings 11 wird nicht umgeformt.
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Die Kühleinrichtung 17 weist eine Düse 26 auf, über die ein flüssiges Kühlmedium 27 auf die Oberfläche 12 beziehungsweise die erwärmte Randzone 24 appliziert wird, was zu einer Kühlung des Erwärmungsbereiches 20 beziehungsweise der Randzone 24 führt. Die Randzone 24 wird gehärtet, sodass ein hier nicht sichtbares Gefüge der Randzone 24 in Martensit und/oder Bainit mit hohen Druckeigenspannungen und hoher Dichte ausgebildet wird. Das abschließend erhaltene Sinterformteil weist dann in der Randzone 24 eine große Härte und damit besonders gute Verschleißeigenschaften auf. Die Herstellung eines derartigen Sinterformteils ist aufgrund des geringen Energieaufwands und der kombinierten Verfahrensschritte besonders kostengünstig.
