DE112009000504T5

DE112009000504T5 - Werkzeuge mit Arbeitsoberflächen aus verdichtetem Pulvermetall und Verfahren

Info

Publication number: DE112009000504T5
Application number: DE112009000504T
Authority: DE
Inventors: Kenneth East Longmeadow Hall; Glenn L. Beane
Original assignee: Irwin Industrial Tool Co
Current assignee: Irwin Industrial Tool Co
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2011-03-17
Also published as: GB2469975A; BRPI0910278A2; RU2010140369A; CA2716989A1; GB201014658D0; WO2009111504A8; US20090274923A1; WO2009111504A2; GB2469975B; WO2009111504A3

Abstract

Ein Verfahren zur Bildung eines Werkzeugs mit einer Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver, das die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Werkzeugsubstrats;
Bewegen zumindest einer Formoberfläche in Eingriff mit dem Substrat und Bildung eines Formhohlraums, der im Wesentlichen zumindest einen Abschnitt des Substrats umschließt;
Einführen von Pulvermetall in den Formhohlraum;
Erhitzen des Pulvermetalls;
Verdichten des Pulvermetalls und Bilden einer endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver innerhalb des Formhohlraums und verbunden mit dem Substrat; und
Lösen der zumindest einen Formoberfläche von dem Substrat und Bilden einer verdichteten endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver auf dem Substrat.

Description

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der am 4. März 2008 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/033,704 mit dem Titel ”Tools Having Compacted Powder Metal Work Surfaces, And Method”, die in ihrer Gesamtheit hiermit ausdrücklich durch Bezugnahme als Teil der vorliegenden Offenbarung umfasst wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft Werkzeuge mit Arbeitsoberflächen aus verdichtetem Pulvermetall, und genauer Werkzeuge, wie etwa Schneidwerkzeuge einschließlich Bandsägeblätter, mit Schneid- oder anderen Arbeitsoberflächen aus verdichtetem Pulvermetall in fertig oder nahezu fertig ausgebildeten Formen. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenso Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen mit Arbeitsoberflächen aus verdichtetem Pulvermetall, wie etwa Bandsägeblätter, durch Ablagern von Pulvermetallen, die fertige oder nahezu fertige Formen definieren, auf Werkzeugsubstraten, wie etwa den Schneidzähnen von Bandsägeblättern.
Ein typisches Bimetall-Bandsägeblatt umfasst ein Federmetallgrundmaterial, das mit einem Schnellstahl-(high speed steel, ”HSS”) oder Werkzeugstahldraht elektronenstrahlverschweißt wird. Der HSS-Draht wird dann zerspant, um die Spitzen der Schneidzähne des Sägeblatts zu bilden. Viele Jahre lang wurden herkömmliche Bimetall-Bandsägeblätter als Grundmaterialstahl eine als ”D6A” bezeichnete Legierung verwendet. D6A ist ein ultrahochfester Stahl, der durch Härten oder Austenitisieren bei 1550°F und Vergüten bei 400°F angepasst wird, in einem Zugfestigkeitsbereich von 260–290 ksi Verwendung zu finden. Einer der Nachteile dieser Legierung ist jedoch, dass sie nicht bei den zur Wärmebehandlung von HSS-Schneidzähnen notwendigen Temperaturen (z. B. ungefähr 2000°–2250°F, und Vergütung bei ungefähr 800°–1100°F) effektiv war.
Ein mit der Wärmebehandlung von Bimetallklingen assoziiertes Problem zeigt sich, nachdem die HSS-Legierung entlang einer Kante des Grundmaterialbandes verschweißt wurde, typischerweise mittels eines Elektronenstrahlschweißgerätes. Insofern die HSS-Legierung der Schneidkante und der Grundstahl miteinander entlang der Länge der Klinge verschweißt sind, kann es schwierig sein, einerseits die notwendigen Eigenschaften der HSS-Schneidkante zu erhalten, ohne andererseits eine Verringerung der Flexibilität, Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit des Grundstahls zu verursachen. Beim Schneiden schwer zu schneidender Materialien mit Bimetallklingen über längere Zeiträume, und wenn der Ersatz solcher Klingen bei Bruch notwendig wurde, hat in den letzten Jahren die Untersuchung solcher Klingen gezeigt, dass in vielen Fällen Brüche im Grundmaterialband stattfinden, und nicht in der HSS-Schneidkante.
Unter dem neueren Stand der Technik befinden sich die US-Patente Pat. Nr. 5,032,356 , das 1991 Kumagai erteilt wurde, und Nr. 5,091,264 , das 1992 Daxelmüller erteilt wurde, die ihr Augenmerk auf Legierungen zur Verwendung als mit Schnellstahl-Schneidkantenmaterialien verschweißtem Grundstahl bei der Herstellung von Bimetall-Bandsägeblättern gerichtet haben. Das Daxelmueller-Patent konzentriert sich auf martensithärtbaren Stahl, der in relativ hohen Mengen, die sich zwischen einem Minimum von 10% und einem Maximum von 55% des Gesamtgewichts der Legierungselemente bewegen, Ni, Co und Mo enthält, die als relativ seltene und teure Materialien angesehen werden können. Das Daxelmueller-Patent offenbart und beansprucht, dass Trägerstreifen 1 mindestens 10 Gewichts-% der Legierungskomponenten aufweisen. In Tabelle 1 (Spalte 4) und Tabelle 3 (Spalte 50) des Daxelmueller-Patents sind die Bestandteile eines Werkzeugstahls und eines Grundmaterialbandes oder Trägerstreifens im Allgemeinen dieselben Materialien, die sowohl im Schneidabschnitt als auch im Grundmaterialabschnitt solcher Klingen verwendet werden. Im Daxelmueller-Patent werden ebenfalls Bimetall-Bandsägeblätter besprochen, in denen eine HSS-Kante an den Grundmaterialstreifen elektronenstrahlgeschweißt wird. Üblicherweise folgt dem Schweißschritt das Vergüten des durch die Schweiß- und Glühschritten gehärteten Längsabschnitts oder Längszone. Nach dem die Zähne geschnitten und platziert sind, wird die Klinge durch Erwärmung auf eine Temperatur von 1120°C gehärtet, die fünfundfünfzig (55) Sekunden lang gehalten wird, und dann wird die Klinge in Öl abgeschreckt. Die Klinge wird dann durch Erwärmung auf 560°C und Kühlung an der Luft für 1,2 Stunden, und erneute Erwärmung auf 560°C und anschließende Kühlung an der Luft für eine Stunde vergütet. Für Klingen dieses Aufbaus wurde gezeigt, dass sie 71.000 Lastzyklen vor dem Bruch bereitstellen, sie aber große Mengen der folgenden drei relativ seltenen Legierungselemente enthalten: Mo – 4,3 Gewichts-%; Ni – 18,1 Gewichts-% und Co – 12,07 Gewichts-%.
Es wäre wünschenswert, die Arbeitsoberflächen von Werkzeugen, wie etwa der Schneidzähne von Sägeblättern, in fertigen oder nahezu fertigen Formen herzustellen, um somit den Schleif- und/oder Zerspanungsaufwand zu minimieren, der notwendig ist, um die benötigten Abmessungen für die fertigen Arbeitsoberfläche zu erreichen. Gegenwärtige Techniken umfassen die Herstellung von carbidbestückten Sägeblättern, die durch Schweißen oder Hartlöten von Carbidzylindern auf den oberen, vorangehenden Kantenabschnitt jedes Zahns des Sägeblatts gebildet werden. Die Carbidzylinder werden aus pulverförmigen Rohmaterialien gebildet, wie etwa Wolframcarbid (WC), Cobalt (Co), Graphit, Polymerbindemittel, Lösungsmittel und andere Additive, wie etwa Wolfram (W) und Kornwachstumsinhibitoren. Die pulverförmigen Rohmaterialien werden kugelgemahlen, um die Korngröße der WC- und Co-Partikel zu homogenisieren und zu verringern. Die pulverförmigen Rohmaterialien werden dann sprühgetrocknet, um Lösungsmittel zu entfernen und die Pulverkörnchen zu formen und deren Größe zu kontrollieren. Die Pulverkörnchen werden dann in Formhohlräume eingefüllt, auf etwa 75% Dichte verpresst und dann ausgeworfen. Die Dichte des Presskörpers wird kontrolliert, um Bruch beim Auswurf einzuschränken. Die gepressten Zylinder werden dann gesintert, einschließlich eines anfänglichen Entwachsungsprozesses, der zwischen ungefähr 0–400°C für 200 Minuten stattfindet, einer Festkörpersinterung, die unterhalb der eutektischen Temperatur (< ungefähr 1400°C) für ungefähr 200 Minuten stattfindet, und einer Flüssigphasensinterung, die oberhalb der eutektischen Temperatur (ungefähr +/–1.400°C bis ungefähr +/–1.500°C) für ungefähr 200 Minuten stattfindet. Die gesinterten Zylinder werden dann fertig gestellt, um Größe und Toleranz zu kontrollieren. Die fertigen Zylinder werden dann vernickelt (Ni), um die Duktilität an der Grenzfläche zu verbessern, wenn sie an das Stahlgrundmaterial geschweißt werden. Die vernickelten Zylinder werden dann auf die Stahlzahnformen an der Klinge geschweißt. Die Zeit, Temperatur und der Druck werden zur korrekten Verschweißung der Zylinder mit den Stahlzahnformen kontrolliert. Nach dem Schweißen werden die Anfangszylinderformen geschliffen und geschärft, um die Endformen oder fertigen Formen der Zahnspitzen zu bilden.
Einer der Nachteile solcher carbidbestückten Sägeblätter aus dem Stand der Technik und der Verfahren zur Herstellung solcher Blätter ist, dass der Herstellungsprozess relativ aufwendig und kostenintensiv ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass, da die Zylinder an die Stahlzahnformen oder das Grundmaterial geschweißt werden, die Materialtypen und/oder -formen auf die beschränkt sind, die erfolgreich verschweißt werden können. Noch ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Carbidzylinder geschliffen und geschärft werden müssen, um die fertigen oder Endformen der Spitzen zu bilden. Diese Verarbeitung führt nicht nur zu zusätzlichen Kosten, sondern beschränkt die Zahnspitzenformen und -materialien auf diejenigen, die geschliffen oder anderweitig mit existierenden spanabhebenden Verfahren geformt werden können.
Andere Produkte und Teile werden durch Pulvermetallurgie geformt, wie etwa dem Pressen von fein gemahlenen oder zu Staub verarbeiteten Metallpulvern in eine gewünschte Form innerhalb eines Formhohlraums einer Pulverpresse. Allgemein werden die Metallpulver bei Zimmertemperatur in dem Formhohlraum verdichtet, und dann wird der halb-dichte ”grüne” Presskörper aus der Form entfernt und bei sehr hohen Temperaturen gesintert (am oder nahe dem Schmelzpunkt des Materials) um die Pulver in eine vereinigte Masse zu binden.
Es kann schwierig sein, komplexe Werkzeugspitzenformen mit engen Abmessungstoleranzen mittels Pulvermetallurgietechniken aus dem Stand der Technik herzustellen. Zum Beispiel kann der nötige Hochtemperatur-Sinterschritt (zur Erhöhung der Dichte des Teils) das Teil gegenüber seiner Ursprungsform verziehen und es somit kommerziell wertlos machen. Damit ein Bandsägeblatt-Grundmaterial zum Beispiel flexibel und zäh bleibt, muss gleichfalls darauf geachtet werden, dass die Materialeigenschaften des Grundmaterials bei dessen Erwärmung (zum Beispiel beim Löten oder Schweißen von geformten Carbidstücken an das Grundmaterial) nicht verändert werden, da übermäßige Wärme, die auf das Grundmaterial und/oder die Grenzfläche zwischen der Carbidspitze und dem Grundmaterial einwirkt, ein sprödes Bandsägeblatt hervorbringen könnte. Solche komplexen Teile werden daher typischerweise individuell mittels relativ teurer Techniken zerspant.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einen oder mehrere der oben beschriebenen Hindernisse und/oder Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Gemäß einem ersten Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Bildung eines Werkzeugs mit einer Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver gerichtet. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

(i) Bereitstellen eines Werkzeugsubstrats;
(ii) Bewegen zumindest einer Formoberfläche in Eingriff mit dem Substrat und Bildung eines Formhohlraums, der im Wesentlichen zumindest einen Abschnitt des Substrats umschließt;
(iii) Einführen von Pulvermetall in den Formhohlraum;
(iv) Erhitzen des Pulvermetalls;
(v) Verdichten des Pulvermetalls und Bilden einer endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver innerhalb des Formhohlraums und verbunden mit dem Substrat; und
(vi) Lösen der zumindest einen Formoberfläche von dem Substrat und Bilden einer verdichteten endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver auf dem Substrat.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Verdichtungsschritt eine Druckausübung auf das verdichtete Pulvermetall innerhalb des Formhohlraums, und umfasst ferner das Erhitzen zumindest einer Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem verdichteten Pulvermetall während der Druckausübung auf das verdichtete Pulvermetall innerhalb des Formhohlraums. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Verdichtungsschritt das Bewegen zumindest eines von der mindestens einen Formoberfläche und dem Substrat auf das andere zu, um zumindest eines von dem Substrat und dem Pulvermetall in Eingriff mit dem anderen zu pressen, und in der Folge das verdichtete Pulvermetall innerhalb des Formhohlraums zu pressen. In einigen solchen Ausführungsformen umfasst der Verdichtungsschritt des Weiteren das Treiben des Substrats zumindest teilweise in den Formhohlraum und in der Folge das Pressen des verdichteten Pulvermetalls innerhalb des Formhohlraums. In einer derartigen Ausführungsform kommt die zumindest eine Formoberfläche verformbar mit dem Substrat in Eingriff. Bevorzugt bildet die zumindest eine mit dem Substrat in Eingriff stehende Formoberfläche eine im Wesentlichen hermetische Abdichtung zwischen dem Formhohlraum und dem Substrat.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen des Weiteren das Erhitzen des Pulvermetalls vor dem Einführen des Pulvermetalls in den Formhohlraum. In einigen dieser Ausführungsformen wird das Pulvermetall bis auf ungefähr 50% bis ungefähr 75% seiner Sinter- oder Schmelztemperatur vor dem oder zum Zeitpunkt des Einführens des Pulvermetalls in den Formhohlraum erhitzt. In anderen Ausführungsformen wird das Pulvermetall bis auf ungefähr 50% seiner Schmelztemperatur bis auf ungefähr seine Schmelztemperatur vor dem oder zum Zeitpunkt des Einführens des Pulvermetalls in den Formhohlraum erhitzt. Einige dieser Ausführungsformen verwenden ein Fließbett, um das Pulvermetall vor dem und/oder zum Zeitpunkt des Einführens des Pulvermetalls in den Formhohlraum zu fluidisieren oder vorzuerhitzen. Eine solche Ausführungsform verwendet eine externe Energie- oder Wärmequelle, wie etwa eine Plasmawärmequelle mit erwärmtem Gas, wie etwa Argongas, um das erwärmte Pulvermetall zum Transport in den Formhohlraum zu erwärmen und fluidisieren. In einer derartigen Ausführungsform erzeugt die Plasmawärmequelle eine erwärmte Argongassäule, die das Pulvermetall vor dem oder zum Zeitpunkt des Einführens des Pulvermetalls in den Formhohlraum fluidisiert oder vorerhitzt. In einer derartigen Ausführungsform ist die Vorerhitzungstemperatur nahe an, aber unterhalb, der Sinter- oder Schmelztemperatur des Pulvermetalls (z. B. bis zu ungefähr 50% bis ungefähr 75% seiner Sinter- oder Schmelztemperatur). In einer weiteren Ausführungsform beträgt die Vorerhitzungstemperatur bis zu ungefähr 50% der Schmelztemperatur bis zu ungefähr der Schmelztemperatur des Pulvermetalls. Das Pulvermetall wird dann weiter in dem Formhohlraum erhitzt.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen des Weiteren den Schritt, eine Störung an einer Grenzfläche des Substrats und dem Pulvermetall zu definieren, und somit eine mechanische Verriegelung zwischen dem Substrat und dem Pulvermetall zu bilden. In einigen derartigen Ausführungsformen ist die Störung durch einen Vorsprung und/oder eine Ausnehmung definiert, der/die auf dem Substrat an einer Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Pulvermetall gebildet ist. In einer derartigen Ausführungsform ist der Vorsprung und/oder die Ausnehmung im Wesentlichen schwalbenschwanzförmig.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst der Erwärmungsschritt (i) Vorerhitzen des Pulvermetalls vor dem Einführen in den Formhohlraum; (ii) Vorerhitzen und Fluidisieren des Pulvermetalls vor dem Einführen in den Formhohlraum; (iii) Erhitzen von zumindest einer Formoberfläche und, in der Folge, Erhitzen des verdichteten Pulvermetalls innerhalb des Formhohlraums; und/oder (iv) Lösen der zumindest einen Formoberfläche von dem verdichteten Pulvermetall und Erhitzen des verdichteten Pulvermetalls.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst der Verdichtungsschritt ferner das Bereitstellen von zumindest einer beweglichen Formoberfläche, Treiben der zumindest einen beweglichen Formoberfläche in Eingriff mit dem Pulvermetall innerhalb des Formhohlraums, und Pressen des Pulvermetalls innerhalb des Formhohlraums.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen ferner das Bereitstellen des Substrats in Form eines Sägeblatts, und Formen der Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver in eine endförmige oder endformnahe Schneidspitze des Sägeblatts. Einige derartige Ausführungsformen umfassen ferner das Bereitstellen des Pulvermetalls, umfassend eine Mehrzahl von WC-Partikeln, die mit zumindest einem von Co und Ni beschichtet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zur Bildung eines Werkzeugs mit einer Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver gerichtet. Die Vorrichtung umfasst zumindest eine Formoberfläche, die in Eingriff mit einem Substrat des Werkzeugs beweglich ist und einen Formhohlraum bildet, der im Wesentlichen zumindest einen Abschnitt des Substrats umschließt. Die Vorrichtung umfasst erste Mittel zum Einführen von Pulvermetall in den Formhohlraum; zweite Mittel zum Erhitzen des Pulvermetalls auf seine Sinter- oder Schmelztemperatur; dritte Mittel zum Verdichten des Pulvermetalls innerhalb des Formhohlraums und in Eingriff mit dem Substrat und zum Bilden einer endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver innerhalb des Formhohlraums und verbunden mit dem Substrat; und vierte Mittel zum Lösen der zumindest einen Formoberfläche von dem Substrat und Bilden einer verdichteten endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver auf dem Substrat.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das erste Mittel eine Pulvermetallzufuhreinheit; das zweite Mittel ist eine Laserquelle, eine RF-Quelle, eine Mikrowellenquelle, eine Plasmaquelle, ein Induktionsheizgerät, eine Elektronenstrahlquelle und/oder eine Plasma-/Argongasquelle ist; das dritte Mittel ist (i) zumindest eine Oberfläche, die zumindest einen Abschnitt des in Eingriff mit dem Pulvermetall innerhalb des Formhohlraums beweglichen Formhohlraums bildet, und/oder (ii) eine Antriebseinheit, um zumindest eines von dem Substrat und dem Formhohlraum auf das andere zu anzutreiben; und das vierte Mittel ist eine Antriebseinheit zum Bewegen der zumindest einen Formoberfläche und in der Folge, zum Lösen der zumindest einen Formoberfläche von der endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus Pulvermetall.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zur Bildung eines Werkzeugs mit einer Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver gerichtet. Die Vorrichtung umfasst zumindest eine Formoberfläche, die in Eingriff mit einem Substrat des Werkzeugs beweglich ist und einen Formhohlraum bildet, der im Wesentlichen zumindest einen Abschnitt des Substrats umschließt. Eine Pulvermetallzufuhreinheit steht mit dem Formhohlraum in Verbindung, um Pulvermetall in den Formhohlraum einzuführen. Eine Energiequelle erhitzt das Pulvermetall vor dem Einführen in den Formhohlraum vor, und/oder erhitzt das Pulvermetall in dem Formhohlraum. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren (i) zumindest eine Oberfläche, die zumindest einen Abschnitt des Formhohlraums bildet, der in Eingriff mit dem Pulvermetall in dem Formhohlraum beweglich ist, um das Pulvermetall innerhalb des Formhohlraums in Eingriff mit dem Substrat zu verdichten, und/oder (ii) eine Antriebseinheit, um zumindest eines von dem Substrat und dem Formhohlraum auf das andere zu anzutreiben, um das Pulvermetall innerhalb des Formhohlraums in Eingriff mit dem Substrat zu verdichten, um eine endformnahe oder endförmige Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver innerhalb des Formhohlraums und verbunden mit dem Substrat zu bilden. Eine Antriebseinheit der Vorrichtung bewegt zumindest eine Formoberfläche, um die zumindest eine Formoberfläche von der endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulvermetall von dem Substrat zu lösen und eine verdichtete endformnahe oder endförmige Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver auf dem Substrat zu bilden.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Wärmeenergiequelle eine Laserquelle, eine RF-Quelle, eine Mikrowellenquelle, eine Plasmaquelle, ein Induktionsheizgerät, eine Elektronenstrahlquelle und/oder eine Plasma-/Gasquelle.
Einige Ausführungsformen umfassen ferner ein beheiztes Fließbett, das das Pulvermetall vor dem Einführen und/oder zum Zeitpunkt des Einführens des Pulvermetalls in den Formhohlraum fluidisiert oder vorerhitzt. In einigen dieser Ausführungsformen erhitzt das beheizte Fließbett das Pulvermetall bis auf ungefähr 50% bis ungefähr 75% seiner Sinter- oder Schmelztemperatur vor. In anderen Ausführungsformen erhitzt das beheizte Fließbett das Pulvermetall bis auf ungefähr 50% bis ungefähr zu der Schmelztemperatur des Pulvermetalls vor. Eine solche Ausführungsform umfasst eine externe Energie- oder Wärmequelle, wie etwa eine Plasmawärmequelle mit erwärmtem Gas, wie etwa Argongas, um das erwärmte Pulvermetall vor dem und/oder zum Zeitpunkt des Einführens in den Formhohlraum zu erwärmen und fluidisieren. In einer derartigen Ausführungsform erzeugt die Plasmawärmequelle eine erwärmte Argongassäule, die das Pulvermetall fluidisiert und auf eine Temperatur nahe an, aber unterhalb, seiner Sinter- oder Schmelztemperatur (z. B. bis zu ungefähr 50% bis ungefähr 75% seiner Sinter- oder Schmelztemperatur) erhitzt. In einer weiteren Ausführungsform erzeugt die Plasmawärmequelle eine erwärmte Argongassäule, die das Pulvermetall fluidisiert und auf eine Temperatur von bis zu ungefähr 50% seiner Schmelztemperatur bis ungefähr zu seiner Schmelztemperatur erhitzt. Die gleiche oder eine unterschiedliche Wärmequelle erhitzt dann das Pulvermetall weiter in dem Formhohlraum.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf ein Werkzeug mit einer Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver gerichtet. Das Werkzeug wird gemäß einem Verfahren gebildet, das die folgenden Schritte umfasst:

(i) Bereitstellen eines Werkzeugsubstrats;
(ii) Bewegen zumindest einer Formoberfläche in Eingriff mit dem Substrat und Bildung eines Formhohlraums, der im Wesentlichen zumindest einen Abschnitt des Substrats umschließt;
(iii) Einführen von Pulvermetall in den Formhohlraum;
(iv) zumindest eines von Vorerhitzen des Pulvermetalls vor dem Einführen des Pulvermetalls in den Formhohlraum, und Erhitzen des Pulvermetalls in dem Formhohlraum;
(v) Verdichten des Pulvermetalls innerhalb des Formhohlraums und in Eingriff mit dem Substrat und Bilden einer endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus Pulver innerhalb des Formhohlraums und verbunden mit dem Substrat; und
(vi) Lösen der zumindest zwei Formoberflächen von dem Substrat und Bilden einer verdichteten endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver auf dem Substrat.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf ein Werkzeug mit einer Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver gerichtet. Das Werkzeug umfasst ein Substrat; und eine Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulvermetall, die eine endformnahe oder endförmige Form definiert, wobei das Pulvermetall eine Mehrzahl von technischen beschichteten Partikeln umfasst, die zumindest ein erstes Material umfassen, das mit zumindest einem zweiten Material beschichtet ist. Die Anteile der Partikel aus dem zweiten Material sind metallurgisch miteinander verbunden und bilden eine dichte Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung definieren ferner eine Störung an einer Grenzfläche des Substrats und dem Pulvermetall, die eine mechanische Verriegelung zwischen dem Substrat und dem Pulvermetall bildet. In einigen derartigen Ausführungsformen ist die Störung durch einen Vorsprung und/oder eine Ausnehmung definiert, der/die auf dem Substrat an einer Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Pulvermetall gebildet ist. In einigen derartigen Ausführungsformen ist der Vorsprung und/oder die Ausnehmung im Wesentlichen schwalbenschwanzförmig.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bildet die Arbeitsoberfläche die Schneidzähne eines Sägeblattes, die Arbeitsoberfläche einer Backe eines verstellbaren Schraubenschlüssels oder den Kopf eines Schraubendrehers. In einigen derartigen Ausführungsformen ist das erste Material Wolframcarbid, und das zweite Material ist Cobalt und/oder Nickel. In einer derartigen Ausführungsform ist das Werkzeug ein Sägeblatt, und die Arbeitsoberfläche definiert die Spitze zumindest eines Schneidezahns des Sägeblatts.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass ein Werkzeug mit einer Oberfläche aus verdichtetem Pulvermetall in einer endförmigen oder endformnahen Form versehen werden kann. Im Ergebnis können viele der komplizierten und/oder relativ teuren Prozesse, die bei der Herstellung von Werkzeugen des Standes der Technik involviert sind, wie etwa Zerspanen und Schleifen, vermieden werden. Es ist noch ein weiterer Vorteil, dass die Arbeitsoberflächen in Formen bereitgestellt werden können, die beim Einsatz herkömmlicher Herstellungsprozesse des Standes der Technik nicht erreicht werden konnten oder nicht wirtschaftlich waren. Es ist noch ein weiterer Vorteil der Erfindung, dass sie die Verwendung von Materialien erlaubt, wie etwa von technisch angepassten Legierungen, die zuvor nicht verfügbar oder bei der Herstellung bestimmter Werkzeugtypen, wie etwa Sägeblättern, nicht wirtschaftlich waren, was somit eine verbesserte Leistung und/oder verringerte Kosten verglichen mit dem Stand der Technik ermöglicht. Ein weiterer Vorteil einiger gegenwärtig bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist, dass vollständig dichte Teile aus Pulvermetallmaterialien unter Verwendung von weniger teuren Pulvermetallurgietechniken hergestellt werden können, und dass in einigen Fällen vollständig dichte Teile ohne die Verwendung des Hochtemperatursinterns hergestellt werden können, wodurch vermieden wird, dass die Form des resultierenden Teils verzogen wird, wie man dem im Stand der Technik begegnet.
Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung und/oder der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen werden leichter angesichts der folgenden detaillierten Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen und der beigefügten Zeichnungen deutlich.
1A ist eine Seitenansicht eines Abschnitts eines Bandsägeblatts;
1B ist eine etwas schematische Illustration einer Vorrichtung zur Herstellung von Werkzeugen mit Arbeitsoberflächen aus verdichtetem Pulvermetall, und verdeutlicht die Verfahrensschritte zur Herstellung solcher Werkzeuge gemäß einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine perspektivische Darstellung eines Grundmaterials eines Sägeblatts, das mit einer beispielhaften Vorrichtung in Eingriff steht, um Pulvermetall auf jeder Spitze des Sägeblatts abzulagern;
3 ist eine vergrößerte perspektivische Darstellung der Vorrichtung nach 2, die verschiebbare gegenüberliegende Formen verdeutlicht, die voneinander getrennt sind, und verschiebbare Verdichtungsstifte, die mit einer Spitze des Sägeblatts in Eingriff stehen;
4 ist eine vergrößerte perspektivische Darstellung der Vorrichtung nach 3, die eine Hälfte des Formhohlraums verdeutlicht, der gebildet wird, wenn eine der Formen mit einer Spitze des Sägeblatts in Eingriff steht;
5 ist eine perspektivische Querschnittsdarstellung der Vorrichtung nach 2, die mit einer Spitze des Sägeblatts in Eingriff steht, und einen Formhohlraum verdeutlicht, der durch das Zusammenführen von Formen und einem entsprechenden verschiebbaren Verdichtungsstift in jeder Form definiert ist;
6 ist eine perspektivische Darstellung, die ein Verdichtungsstiftprofil zum Definieren einer endförmigen oder endformnahen Spitze des Sägeblatts verdeutlicht;
7 ist eine etwas schematische Querschnittsdarstellung einer Zahnform, die durch die Verwendung eines Verdichtungsstiftes, wie er in 6 gezeigt ist und der ein entsprechendes Profil aufweist, möglich gemacht wurde;
8 ist eine etwas schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Zahnform, die durch die Verwendung eines Verdichtungsstiftes, wie er in 6 gezeigt ist, und der ein entsprechendes Profil aufweist, möglich gemacht wurde;
9 ist eine Querschnittsdarstellung eines beschichteten Partikels, das bei der Herstellung einer Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulvermetall verwendet wurde; und
10 ist eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung aus 4, die des Weiteren eine Aufnahme zwischen dem Formenpaar umfasst, um den Formhohlraum gemäß einer alternativen Ausführungsform unter Druck zu setzen.
Die vorliegende Offenbarung sieht eine Vorrichtung und ein Verfahren vor, die in der Lage sind, eine fertige oder nahezu fertige Arbeitsoberfläche eines Werkzeugs zu bilden. In Ausführungsbeispielen offenbart die folgende Beschreibung eine Vorrichtung und ein Verfahren, die in der Lage sind, eine fertige oder nahezu fertige Arbeitsoberfläche eines Werkzeugs zu bilden, indem ein Pulvermaterial auf einem Substrat abgelagert wird. In einigen der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen wird das Pulvermaterial auf ein Bandsägeblatt-Grundmaterial aufgebracht, um Schneidzähne mit einer fertigen oder nahezu fertigen Form auf dem Sägeblatt zu bilden. Das zur Bildung der Arbeitsoberflächen der erfindungsgemäßen Werkzeuge verwendete Material kann irgendeines von zahlreichen verschiedenen Materialien oder Materialkombinationen sein, die für solche Zwecke nützlich sind, und die gegenwärtig bekannt sind oder später bekannt werden, wie etwa Pulvermetalle aus Schnellstahl (”HSS”), Carbid, Cermet, und oder technisch angepassten Legierungen.
Die Begriffe ”fertig” oder ”endförmig” werden in dieser Offenbarung als Synonyme verwandt, um ein Produkt zu beschreiben, das unmittelbar für seinen Verwendungszweck verwendet werden könnte. Die Begriffe ”nahezu fertig” oder ”endformnah” werden in dieser Offenbarung als Synonyme verwandt, um ein Produkt zu beschreiben, das nach der Ablagerung des Pulvermetalls eine oder sehr wenige Operation(en) benötigt, wie etwa einen Kantenoberschliff, um ein fertiges oder endförmiges Teil zu erhalten. Die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen fertige oder nahezu fertige Werkzeuge bereit, die Arbeitsoberflächen aus verdichtetem Pulvermetall in fertigen oder nahezu fertigen Formen aufweisen. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Werkzeuge Sägeblätter, und die Arbeitsoberflächen aus verdichtetem Pulvermetall sind die Schneidzähne der Sägeblätter. In einer solchen Ausführungsform werden die Schneidzähne aus verdichtetem Pulvermetall aus Carbid hergestellt, und die carbidbestückten Schneidzähne weisen eine vollständig gesinterte, fertige Geometrie auf. In anderen Ausführungsformen ist die gesinterte Geometrie der Schneidzähne derart, dass nicht mehr als ungefähr eine Oberfläche als Operation nach dem Sintern geschliffen werden muss, um die Zahnform zu vervollständigen.
Wie typischerweise in 1A gezeigt ist, definiert ein Bandsägeblatt 10 eine durch den Pfeil ”a” angezeigte Schneidrichtung und eine durch den Pfeil ”b” angezeigte Zuführrichtung. Das Bandsägeblatt 10 umfasst eine Mehrzahl von wiederkehrenden oder sich wiederholenden Zahnmustern. In der gezeigten Ausführungsform definiert das Bandsägeblatt 10 ein achtzahniges Teilungsmuster; jedoch ist, wie basierend auf den Lehren hierin für den Durchschnittsfachmann ersichtlich ist, das Teilungsmuster nur beispielhaft, und die Sägeblätter der vorliegenden Erfindung können irgendeines von zahlreichen verschiedenen sich wiederholenden Zahnmustern definieren. In der gezeigten Ausführungsform ist jedes Teilungsmuster durch eine wiederkehrende Gruppe von acht aufeinanderfolgenden Zähnen definiert, die durch die Bezugszeichen 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 und 26 bezeichnet sind. Wie in 1A gezeigt ist, definiert jeder Zahn eine jeweilige Teilung oder einen jeweiligen Zahnabstand P12 bis P26. Wie in 1A gezeigt, kann die Teilung oder der Zahnabstand zwischen den Spitzen benachbarter Zähne gemessen werden. Jedoch kann, wie basierend auf den Lehren hierin für den Durchschnittsfachmann ersichtlich ist, die Teilung oder der Zahnabstand zwischen beliebigen von zahlreichen anderen einander entsprechenden Punkten zwischen benachbarten Zähnen gemessen werden.
Die Sägeblätter der vorliegenden Erfindung können viele beliebige unterschiedliche Zahnformen oder -geometrien definieren, die gegenwärtig bekannt sind oder später bekannt werden. Zum Beispiel können die Sägeblätter der vorliegenden Erfindung beliebige der Merkmale beinhalten, die in den folgenden US-Patenten und Patentanmeldungen desselben Inhabers offenbart werden, wobei alle hiermit ausdrücklich in ihrer Vollständigkeit als Teil der vorliegenden Offenbarung durch Bezugnahme umfasst werden: U.S. Patent Nr. 4,423,653 , 5,417,777 , 5,410,935 , 6,003,422 , 6,167,792 , 6,276,248 , 6,601,495 und 7,131,365 . Tatsächlich ist einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung, dass sie es erleichtert, die Schneidzähne von Sägeblättern oder anderen Werkzeugen aus zahlreichen beliebigen verschiedenen Materialien herstellen zu können, und in zahlreichen beliebigen verschiedenen Formen oder Geometrien.
Das Sägeblatt 10 umfasst ein Grundmaterial-Stahlband 28 und eine Schneidkante 30 aus verdichtetem Pulvermetall, die durch die sich wiederholenden Muster von Schneidzähnen 12–26 definiert ist. Wie weiter unten beschrieben, können die Spitzen der Schneidzähne 12–26 viele beliebige unterschiedliche Formen definieren, die gegenwärtig bekannt sind oder später bekannt werden. Das verdichtete Pulvermetall ist bevorzugt an der oberen Kante des Grundmaterialbandes 28 durch Verdichtung des Metallpulvers befestigt, wie sie unten vollständiger besprochen wird.
In 1B wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Sägeblättern mit Schneidspitzen aus verdichtetem Pulvermetall in nahezu fertigen oder fertigen Formen allgemein durch das Bezugszeichen 40 bezeichnet. Die Vorrichtung 40 umfasst ein Formenwerkzeug mit einer ersten Form 42 und einer zweiten Form 44, die dazwischen einen Formhohlraum 46 definieren. Bezug nehmend auf Schritt 1 aus 1B wird zumindest eine der ersten und der zweiten Form 42 bzw. 44 in Eingriff mit der anderen bewegt, um den Formhohlraum 46 zu bilden. Dann wird der Formhohlraum 46 mit einer vorbestimmten Menge (nach Gewicht und/oder Volumen) Pulvermetall (oder ”Partikeln”) 47 gefüllt, die zur Bildung der Arbeitsoberfläche des Werkzeugs verwendet werden. Wie aus 1B ersichtlich ist, wird in der gezeigten Ausführungsform der Formhohlraum 46 zur Bildung der Schneidzähne eines Sägeblatts, wie etwa eines Bandsägeblatts, geformt. Jedoch kann, wie basierend auf den Lehren hierin für den Durchschnittsfachmann ersichtlich ist, der Formhohlraum 46 zur Bildung vieler beliebiger verschiedener Verschleiß- oder Arbeitsoberflächen vieler beliebiger unterschiedlicher Werkzeugtypen geformt sein, die gegenwärtig bekannt sind oder später bekannt werden.
In der gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Pulvermetall 47 ein technisch angepasstes, beschichtetes WC/Co-Ni-Pulver sein, oder ein beliebiges anderes technisch angepasstes Pulvermaterial, wie etwa technisch angepasstes Pulver-HSS, die gegenwärtig bekannt sind oder später bekannt werden. Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die technisch angepasste, beschichtete WC/Co-Ni-Pulver verwendet, hat jedes WC-Partikel (Wolframcarbid) bevorzugt einen Durchmesser (oder anderes messbares Merkmal) von weniger als 1 Mikron und ist mit einem technisch angepassten Volumenanteil von Co (Cobalt) und Ni (Nickel) beschichtet. Bevorzugt sind vor der Beschichtung die WC-Partikel atomisch rein, mit im Wesentlichen keinen W-Oxiden. Wenn sie beschichtet werden, bildet sich eine metallurgische Verbindung zwischen den WC-Partikeln und der Co-Ni-Beschichtung. Bevorzugt ist die Co-Ni-Beschichtung 100% dicht. Ein Vorteil dieses Merkmals ist, dass, da im Wesentlichen jedes WC-Partikel mit Co beschichtet ist, der Diffusionsabstand zwischen Co und WC ungefähr kürzestmöglich ist. Ein weiterer Vorteil der Verwendung solcher technisch angepasster beschichteter Partikel ist, dass die Mikrostruktur der resultierenden Verschleißoberfläche eine feinere Kornstruktur zeigen kann, als man ihr im Stand der Technik begegnet, was wiederum für verbesserte mechanischen Eigenschaften und längere Verschleißdauer im Vergleich zum Stand der Technik sorgen kann.
Ein Vorteil der Beschichtung der WC-Partikel mit Ni ist, dass Ni dem Fe in einem Stahlsubstrat, wie etwa einem Klingengrundmaterial, zu bevorzugen ist, und daher den Prozess des Verbindens der Verschleißoberfläche aus Pulvermetall mit dem Stahlsubstrat erleichtern wird, wie unten beschrieben ist. Alternativ kann das Ni von der WC-Beschichtung entfernt werden, und/oder das Substrat, wie etwa ein Klingengrundmaterial, kann mit Ni beschichtet werden, um das Verbinden der Verschleißoberfläche aus Pulvermetall mit dem Substrat zu erleichtern. Noch ein weiterer Vorteil der Verwendung solcher einzeln beschichteter Partikel ist, dass die in Herstellungsverfahren des Standes der Technik für carbidbestückte Sägeblätter verwendeten Paraffine und die Entwachsungsverfahren weggelassen werden können, und dass sie den Erhalt von dichter verarbeiteten Partikeln mit möglichen geringeren Sinterzeiten und/oder -temperaturen erleichtern können. Wie weiter unten beschrieben, können die technisch angepassten Partikel durch gleichzeitiges elektrolytisches Abscheiden des Co und des Ni auf den WC-Partikeln beschichtet werden. Alternativ kann ein Dampfbeschichtungsverfahren verwendet werden, dass Cobaltcarbonyl zu im Wesentlichen reinem Cobalt auf den WC-Partikeln reduziert. Ein Vorteil eines solchen Dampfbeschichtungsverfahrens ist, dass es die Erzeugung von WC/Co mit einer nanokristallinen Kornstruktur erleichtert. Wie basierend auf den Lehren hierin für den Durchschnittsfachmann ersichtlich ist, sind diese Beschichtungsverfahren nur beispielhaft, und viele andere Beschichtungsverfahren, die gegenwärtig bekannt sind oder später bekannt werden, können gleichfalls verwendet werden.
Das gezeigte Formwerkzeug 40 ist in zwei Hälften oder Formen 40, 42 gebildet, die die Herstellung von fertigen oder nahezu fertigen Schneidspitzen ermöglichen. Dementsprechend werden bevorzugt alle Grundmerkmale der Geometrie der fertigen Spitze in das Formdesign einbezogen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Formen aus Hochtemperaturkeramikmaterialien gebildet, die die Merkmale der Arbeitsoberfläche definieren. Bevorzugt werden die Formen in zumindest drei Achsen (z. B. paarweise orthogonale X-, Y- und Z-Achsen) CNC-gesteuert. Wie unten angedeutet umfassen die Formen bevorzugt auch ein Heiz- und Kühlsystem eines Typs, der dem Durchschnittsfachmann bekannt ist. Wie basierend auf den Lehren hierin für den Durchschnittsfachmann ersichtlich ist, ist dieses Formwerkzeug 40 nur beispielhaft, und viele andere Formwerkzeugtypen, die jede gewünschte Teileanzahl umfassen, die in jeder gewünschten Anzahl von Achsen gesteuert werden können, und die aus vielen anderen verschiedenen Materialien gebildet werden, die gegenwärtig bekannt sind oder später bekannt werden, können gleichfalls verwendet werden.
Ein Zufuhrsystem 45 eines Typs, der dem Durchschnittsfachmann bekannt ist, kann zum Füllen des Formhohlraums 46 mit den beschichteten Partikeln 47 verwendet werden. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung steuert das Zufuhrsystem das Gewicht, die Temperatur und die Fließeigenschaften des Materials 47. In einem solchen System überprüfen digitale Fertigungssteuerungen eines dem Durchschnittsfachmann bekannten Typs die Materialtemperatur und die Fluidisierungs-/Stoßwellenfrequenz. In einem solchen System werden das Gewicht und die Fließeigenschaften der dem Formhohlraum 46 zugeführten Rohmaterialien 47 durch Steuerung der Fluidisierungsfrequenz gesteuert. Ferner wird die scheinbare Dichte des Rohmaterials 47 durch Fluidisierung gesteuert, um das Gewicht des Rohmaterials in dem Formhohlraum 46 zu steuern. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Formhohlraum 46 mit dem Rohmaterial 47 parallel zu den anderen Heiz- und Verarbeitungsschritten gefüllt, um die Taktzeit zu minimieren. Bei einigen Ausführungsformen erhitzt das Zufuhrsystem 45 das Pulvermetall vor dem Einführen des Pulvermetalls in den Formhohlraum 46 vor. In einigen dieser Ausführungsformen wird das Pulvermetall bis auf ungefähr 50% bis ungefähr 75% seiner Sinter- oder Schmelztemperatur vor dem oder zum Zeitpunkt des Einführens des Pulvermetalls in den Formhohlraum vorerhitzt. In anderen Ausführungsformen wird das Pulvermetall bis auf ungefähr 50% seiner Schmelztemperatur bis zu ungefähr seiner Schmelztemperatur vor dem oder zum Zeitpunkt des Einführens des Pulvermetalls in den Formhohlraum vorerhitzt. In einigen Ausführungsformen verwendet das Zufuhrsystem 45 ein beheiztes Fließbett, um das Pulvermetall vor dem oder zum Zeitpunkt des Einführens des Pulvermetalls in den Formhohlraum 46 vorzuerhitzen und zu fluidisieren. Das Zufuhrsystem umfasst eine externe Energie- oder Wärmequelle, wie etwa eine Plasmawärmequelle mit erwärmtem Gas, wie etwa Argongas, das das erwärmte Pulvermetall vor und/oder während seiner Zuführung in den Formhohlraum erwärmt und fluidisiert, oder ist in Wärmeverbindung damit gekoppelt. In einer derartigen Ausführungsform erzeugt die Wärmequelle eine erwärmte Argongassäule, die das fluidisierte Pulvermetall fluidisiert und das fluidisierte Pulvermetall vorerhitzt. In einer derartigen Ausführungsform wird das fluidisierte Pulvermetall auf eine Temperatur vorerhitzt, die nahe an, aber unterhalb, seiner Sinter- oder Schmelztemperatur liegt (z. B. bis zu ungefähr 50% bis ungefähr 75% seiner Sinter- oder Schmelztemperatur). In einer weiteren Ausführungsform wird das fluidisierte Pulvermetall bis zu ungefähr 50% seiner Schmelztemperatur bis zu ungefähr seiner Schmelztemperatur vorerhitzt. Das fluidisierte Pulvermetall wird in den Formhohlraum 46 transportiert und in dem Formhohlraum 46 weiter erhitzt. Wie basierend auf den Lehren hierin für den Durchschnittsfachmann ersichtlich ist, können viele andere verschiedene Zufuhrsysteme, die gegenwärtig bekannt sind oder später bekannt werden, gleichfalls verwendet werden, um das Rohmaterial 47 dem Formhohlraum 46 zuzuführen.
Bezug nehmend auf Schritt 2 aus 1B umfasst das Formwerkzeug 40 eine Heizeinheit oder Energiequelle 49, um das Rohmaterial 47 in dem Formhohlraum 46 zu erwärmen. Falls gewünscht, kann dieselbe Heizeinheit 49 verwendet werden, um das Pulvermetall vor der Einführung in den Formhohlraum wie oben beschrieben vorzuerhitzen, oder eine andere Heizeinheit oder Energiequelle kann zum Vorerhitzen des Pulvermetalls verwendet werden. In der gezeigten Ausführungsform erwärmt die Heizeinheit 49 das Rohmaterial 47 in dem Formhohlraum 46 schnell auf eine Temperatur oberhalb der eutektischen Flüssigphase des Rohmaterials. Bevorzugt ist die Erwärmungsgeschwindigkeit des Rohmaterials relativ schnell. In einer Ausführungsform beträgt die Erwärmungsgeschwindigkeit ungefähr 1 KW/sec. Die Heizeinheit 49 kann die Form vieler verschiedener Heizeinheitstypen zur Durchführung dieser Funktion annehmen, die gegenwärtig bekannt sind oder später bekannt werden, wie etwa viele verschiedene Typen von Induktionsspulenheizeinheiten, Mikrowellenheizeinheiten, Elektronenstrahlquellen, Laserquellen, RF-Quellen oder Plasmaquellen. Wenn eine Laser-, Elektronenstrahl- oder Plasmaheizquelle verwendet wird, kann es notwendig sein, das Pulvermetall wie oben beschrieben vorzuerhitzen, und/oder die Formen 42, 44 vorzuerhitzen, um es dem Rohmaterial zu erlauben, genügend Grünfestigkeit beim Öffnen des Formwerkzeugs 40 zu erhalten; dann kann das Formwerkzeug gegebenenfalls geöffnet werden, um die Laser-, Elektronenstrahl- oder Plasmaheizquelle zum weiteren Erwärmen des Rohmaterials 47 auf die benötigte Temperatur anzuwenden. Sobald das Rohmaterial 47 die benötigte Temperatur erreicht, kann das Formwerkzeug 40 wieder geschlossen werden, um den Pressschritt durchzuführen, wie weiter unten beschrieben. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der Formhohlraum 46 mit Stickstoff oder einem anderen inerten Gas gespült, um eine kontrollierte Atmosphäre in dem Formhohlraum bereitzustellen; falls gewünscht kann eine das Formwerkzeug umgebende Kammer ebenfalls mit Stickstoff oder einem anderen inerten Gas gespült werden, um denselben oder einen ähnlichen Effekt zu erzielen. Falls gewünscht, kann das Erwärmen des Formhohlraums 46 und des Rohmaterials 47 darin gleichzeitig mit dem oben beschriebenen Füllschritt und dem unten beschriebenen Pressschritt durchgeführt werden.
In Schritt 3 der 1B wird das erwärmte Rohmaterial 47 in dem Formhohlraum 46 innerhalb des Formhohlraums verpresst, um sowohl das pulverförmige Rohmaterial auf im Wesentlichen volle Dichte zu konsolidieren, als auch das Rohmaterial mit dem Substrat, wie etwa dem Klingengrundmaterial, zu verbinden. Bei der gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Zahnabschnitt 48 des Klingengrundmaterials (d. h. die Stahlbasis des Zahns, die mit dem Pulvermetall 47 verbunden wird) als ein Stempel verwendet, um das Rohmaterial 47 auf nahezu die volle Dichte im Formhohlraum 46 zu pressen. Bei der Ausführungsform, die WC/Co-Ni-Partikel 47 verwendet, findet dies in dem Formhohlraum 46 statt, während das Cobalt von einer Flüssigphase in eine Feststoffphase abkühlt. Gleichzeitig wird das Substrat oder Klingengrundmaterial 48 mit dem Rohmaterial 47 (z. B. den WC/Co-Ni-Partikeln) verbunden. Das Substrat oder Klingengrundmaterial 48 fungiert auch als Wärmeabfuhrelement, um Wärme von dem Rohmaterial (z. B. de WC/Co-Ni-Partikeln) 47 während des Press-/Verbindungs-Prozesses abzuleiten.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst der Spitzenabschnitt 48 des Klingengrundmaterials eine oder mehr Störungen an der Press-/Verbindungsgrenzfläche, wie etwa einen oder mehr Vorsprünge, die sich in das Rohmaterial 47 erstrecken und/oder einen oder mehr Ausnehmungen, die jeweilige Anteile des Rohmaterials 47 aufnehmen, um die Bildung einer mechanischen Verbindung an der Spitzen-Substrat-Grenzfläche zu erleichtern. In einer solchen Ausführungsform ist die Störung im Wesentlichen schwalbenschwanzförmig; wie jedoch basierend auf den Lehren hierin für den Durchschnittsfachmann ersichtlich ist, kann eine solche Störung viele verschiedene Formen annehmen, die gegenwärtig bekannt sind oder später bekannt werden, um die Verbindung des Pulvermaterials 47 mit dem Substrat 48 zu erleichtern.
Die Dichte des Rohmaterials 47 während des Press-/Verbindungsschritts kann durch Steuerung der Temperatur des Formhohlraums 46 und somit der Temperatur des darin aufgenommenen Rohmaterials 47, des auf das in dem Formhohlraum 46 aufgenommene Rohmaterial 47 ausgeübten Drucks, und der Zeit, während der das Rohmaterial der vorbestimmten Wärme und dem vorbestimmten Druck ausgesetzt wird, gesteuert werden. Wie basierend auf den Lehren hierin für den Durchschnittsfachmann ersichtlich ist, kann der Druck innerhalb des Formhohlraums 46 auf vielen verschiedenen Wegen erzeugt werden, wie etwa durch Pressen von mindestens einem des Substrats/Klingengrundmaterial 48 und Rohmaterial 47 relativ zu dem anderen, durch Treiben eines oder mehr beweglicher Verdichtungs- oder Stempelstifte oder anderer Pressoberflächen an dem Formwerkzeug 40, um das Rohmaterial 47 innerhalb des Formhohlraums 46 zu pressen, und/oder vieler anderer Pressmechanismen, die gegenwärtig bekannt sind oder später bekannt werden. Wie aus Schritt 3 in 1B ersichtlich, erstreckt sich der Spitzenabschnitt 48 des Substrats in den Formhohlraum 46 und wird dichtend durch die einander gegenüberliegenden Formen 42, 44 in Eingriff genommen, um im Wesentlichen zu verhindern, das jedwedes Rohmaterial dazwischen fließt, und ansonsten die Erzeugung von genügendem Druck innerhalb des Formhohlraums während des Press-/Verbindungsschrittes zu erleichtern. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kommen die Formen 42, 44 mit der Spitze 48 mit genügend Druck in Eingriff, um das Substrat zu prägen oder anderweitig zu verformen. Wie durch die Pfeile in Schritt 3 angedeutet wird, kann das Formwerkzeug 40 auf das Substrat 48 zugetrieben werden, um das Substrat und das Rohmaterial 47 in Eingriff miteinander zu pressen. Alternativ kann das Substrat 48 auf das Formwerkzeug 40 zu getrieben werden, um den Druck zu erzeugen, oder das Substrat und das Formwerkzeug können beide aufeinander zu getrieben werden, um den Druck zu erzeugen. Wie aus Schritt 3 der 1B ersichtlich, treibt die Pressoperation den Spitzenabschnitt 48 des Substrats in, oder weiter in den Formwerkzeughohlraum, 46, und der Spitzenabschnitt wird von den einander gegenüberliegenden Formen 42, 44 wie oben beschrieben in Eingriff genommen. Die Verbindung zwischen dem Pulvermetall 47 und dem Substrat wird bevorzugt durch Steuerung der Druck/Dichtekurve gesteuert. Dies kann durch Steuern der Beschichtung des Rohmaterials (wie etwa der oben beschriebenen WC/Co-Ni-Beschichtung), der Formensteuerung und der Stempel- (oder Zahn-)steuerung; der Verwendung einer Ni- oder anderen Beschichtung auf den WC/Co- oder anderen Partikeln, und/oder des wie oben beschriebenen Grundmaterials und der Atmosphäre des Formhohlraums, wie etwa den Einsatz von Stickstoff oder einem anderen inerten Gas, gesteuert werden.
Die Produktionsgeschwindigkeit der Vorrichtung nach 1B kann durch den Einsatz mehrerer Stationen, die parallel im Wesentlichen gleichzeitige Prozesse durchführen, gesteuert werden. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können im Vergleich zum Stand der Technik kürzere Sinterzyklen zu feineren Kornstrukturen und verbesserten mechanischen Eigenschaften führen.
Die grundlegende endförmige Geometrie der fertigen Arbeitsoberfläche, wie etwa der WC/Co-Spitze des Sägeblatts, wird auf dem Zahn während des Press-/Sinter-/Verbindungsprozesses aus Schritt 3 der 1B gebildet. Sobald bei Abschluss des Schrittes 3 das gepresste/gesinterte/verbundene Teil ausgeworfen wird, kann ein Schleifschritt verwendet werden, um zuvor in den Schritten 1 bis 3 erzeugte geformte Merkmale zu schärfen. Dementsprechend ist es ein bedeutender Vorteil der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, dass das ausgedehnte Schleifen und Schärfen, dem man bei der Herstellung von Werkzeugen aus dem Stand der Technik begegnet, wie etwa Sägeblättern, signifikant verringert wird, wodurch die Verarbeitungszeit und -kosten und der Ausschuss des Materials verringert werden, die verwendet werden, um die Arbeitsoberflächen zu bilden.
Bezug nehmend auf die 2–5, wird eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Werkzeugen mit Arbeitsoberflächen aus verdichtetem Pulvermetall in nahezu fertigen oder fertigen Formen ebenfalls allgemein durch das Bezugszeichen 40 bezeichnet. Die Vorrichtung 40 der 2–5 umfasst viele Merkmale, die dieselben sind wie diejenigen, die oben in Verbindung mit 1B beschrieben wurden, und daher werden ähnliche Bezugszeichen verwendet, um ähnliche Elemente zu bezeichnen. Wie in 2 gezeigt, umfasst die Vorrichtung 40 aneinander anliegende erste und zweite Formen 42, 44, die eine gemeinsame Achse definieren. Wie am Besten unter Bezugnahme auf die 3 und 4 ersichtlich, sind die Formen 42, 44 so konfiguriert, dass sie einen Formhohlraum 46 definieren, wenn jede Form um einen Spitzenabschnitt 48 jedes Zahns 50 herum angeordnet sind. Die aneinander anliegenden Formen 42, 44 definieren den Formhohlraum 46 mit einer Ausbildung, die der des fertigen Zahnprofils entspricht. Genauer ist der Formhohlraum 46 durch ein Umfangsprofil einer Stirnfläche 52 eines jeweiligen Verdichtungsstifts oder Druckstabs 54 definiert, der innerhalb einer jeweiligen Form 42, 44 verschiebbar ist. Eine Breitenabmessung des Formhohlraums 46 hängt von der Verschiebung der Verdichtungsstifte 54 relativ zu einer gegenüberliegenden Oberfläche jedes Spitzenabschnitts 48 ab. Wie in 2 als typisch gezeigt wird, ist die gegenüberliegende Oberfläche eine von zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen 56, 58, die jeden Spitzenabschnitt 48 definieren. Es ist zu beachten, dass eine Hälfte des Formhohlraum 46 in 5 mit einer Stirnoberfläche 60 gezeigt wird, die ein Ende der Form 44 definiert, das koplanar mit einer Ebene ist, die den Spitzenabschnitt 48 und eine anliegende Oberfläche 56 der Stirnfläche 52 zweiteilt. Auf diese Weise erkennt der Durchschnittsfachmann, dass ein Profil der Stirnfläche 52 ein Profil der fertigen oder nahezu fertigen Spitze jedes Zahns 50 eines Bandsägeblatts 10 definiert wird. Dementsprechend ist, wie weiter unten beschrieben wird, die Oberflächenkontur oder das Profil der Stirnfläche 52 angepasst, die Oberflächenkontur der entsprechenden Seite der Zahnspitze zu bilden.
Wie in 3 gezeigt ist, umfasst jede Form 42, 44 eine entsprechende Öffnung 62, 64, die in Flüssigkeitsverbindung mit dem Formhohlraum 46 steht, wenn ein jeweiliger Verdichtungsstift 54 von einer entsprechenden Oberfläche 56, 58, die den Spitzenabschnitt 48 definiert, verschoben wird. Jeder Verdichtungsstift 54 ist unabhängig in jede der beiden Richtungen verschiebbar, die allgemein in 3 durch einen Doppelpfeil 66 angedeutet werden. Die Öffnungen 62, 64 sind zur Aufnahme eines Pulvermetalls dort hindurch ausgestaltet, um einen fertigen oder nahezu fertigen Zahn an jedem Spitzenabschnitt 48 zu bilden.
Wie in 4 gezeigt, ist jede Stirnoberfläche 60, die ein Ende einer jeweiligen Form 42, 44 definiert, so ausgestaltet, dass sie eine hermetische Abdichtung mit einer anliegenden Stirnoberfläche 60 einer jeweiligen Form 42, 44 und Oberfläche 56, 58 des jeweiligen Spitzenabschnitts 48 bereitstellt. In einem Ausführungsbeispiel sind die Formen 42, 44 aufeinander zu vorgespannt, so, dass sie den jeweiligen Zahn 50 prägen oder anderweitig verformbar in Eingriff nehmen, um eine hermetische Abdichtung in Bezug auf den Formhohlraum 46 bereitzustellen. Auf diese Weise wird, wenn Pulvermetall in den Öffnungen 62, 64 angeordnet ist und die Verdichtungsstifte 54 in Richtung auf den Spitzenabschnitt 48 vorgespannt sind, das Pulvermetall zusammengepresst und es wird verhindert, dass es durch die aneinander liegenden Form- und Spitzengrenzflächen entweicht. In einem Ausführungsbeispiel fließt das Pulvermetall, das zum Beispiel in einem Fließbett vorerhitzt werden kann, in den Formhohlraum 46 in einer flüssigen Weise, wie oben und weiter unten beschrieben.
Wieder Bezug nehmend auf 2, wird im Folgenden eine Übersicht des Prozesses für die direkte Ablagerung des Kantenmaterials (z. B. Pulvermetall) auf dem Substrat (z. B. das Klingengrundmaterial eines Bandsägeblatts) beschrieben. Ein vollständig geglühtes Grundmaterial 10 wird aufgenommen und eine ausgewählte Grund- und Spitzengeometrie werden in dem Grundmaterial ausgebildet. Das Grundmaterial 10 wird für eine Zeit ausgehärtet und vergütet, die von der Masse des Produkts und dem Typ des verwendeten Ofens abhängig ist. Das Härten wird mittels einer leicht oberhalb der kritischen Temperatur angesiedelten Temperatur durchgeführt, mit dem Ziel, in den Austenitisierungsbereich zu gelangen. Dementsprechend wird das Härten mittels einer Temperatur durchgeführt, die sich typischerweise im Bereich von ungefähr 1850°F bis ungefähr 2150°F befindet, abhängig von den verwendeten Materialien. Zum Beispiel benötigen relativ hochlegierte Grundmaterialien, wie etwa Grundmaterialien mit 2% Chrom/3% Molybdän, geringere Aushärttemperaturen (ungefähr 1850°F), während D6A-Grundmaterialien höhere Aushärttemperaturen (ungefähr 2150°F) benötigen. Das Vergüten wird dreimal bei ungefähr 1000°F für ungefähr eine Stunde mit Abkühlung zwischen den Vergütungsschritten ausgeführt. Wie basierend auf den Lehren hierin für den Durchschnittsfachmann ersichtlich ist, können viele verschiedene Wärmebehandlungsprozesse einschließlich der Temperaturen und Zeiten solcher Prozesse, die gegenwärtig bekannt sind oder später bekannt werden, gleichfalls verwendet werden.
Als Nächstes wird das Grundmaterial 10 gereinigt, bevor das Kantenmaterial direkt darauf abgelagert wird. Die Reinigung kann eine Ultraschall-, Abrieb-, Sandstrahl- und/oder Sprühreinigung umfassen. Pulvermetall 70, das zur Verwendung als das Kantenmaterial vorgesehen ist, wird in den Formen 42, 44 über einen Zufuhrsystemtrichter 72 aufgenommen. Bei einigen Ausführungsformen erhitzt das Zufuhrsystem das Pulvermetall vor dem Einführen des Pulvermetalls in den Formhohlraum 46 vor. Bevorzugt wird das Pulvermetall bis auf ungefähr 50% bis ungefähr 75% seiner Sinter- oder Schmelztemperatur vor dem oder zum Zeitpunkt des Einführens des Pulvermetalls in den Formhohlraum vorerhitzt. Alternativ wird das Pulvermetall bis auf ungefähr 50% seiner Schmelztemperatur bis zu ungefähr seiner Schmelztemperatur vor dem oder zum Zeitpunkt des Einführens des Pulvermetalls in den Formhohlraum vorerhitzt. Das Zufuhrsystem bildet ein beheiztes Fließbett, um das Pulvermetall vor dem oder zum Zeitpunkt des Einführens des Pulvermetalls in den Formhohlraum 46 vorzuerhitzen oder zu fluidisieren. Das Zufuhrsystem umfasst eine externe Energie- oder Wärmequelle, wie etwa eine Plasmawärmequelle mit erwärmtem Gas, wie etwa Argongas, das das erwärmte Pulvermetall vor und/oder während seiner Zuführung in den Formhohlraum erwärmt und fluidisiert, oder ist in Wärmeverbindung damit gekoppelt. In einer derartigen Ausführungsform erzeugt die Wärmequelle eine erwärmte Argongassäule, die das fluidisierte Pulvermetall fluidisiert und das fluidisierte Pulvermetall vorerhitzt. Das fluidisierte Pulvermetall wird dann in den Formhohlraum 46 transportiert und das Pulvermetall wird in dem Formhohlraum 46 weiter erhitzt. Die Wärmequelle, wie etwa die Plasmaquelle, befindet sich unterhalb des Formhohlraums, das erwärmte Gas, wie etwa Argongas, fließt durch die Wärmequelle, durch den Formhohlraum, und somit durch den Einlass zu dem Formhohlraum, um das Pulvermetall zu fluidisieren und zu erwärmen, während des durch den Einlass und in den Formhohlraum fließt. In dem Formhohlraum 46 ist das erwärmte Pulvermetall 70 (d. h. bis zu seiner Sinter- oder Schmelztemperatur erwärmt) durch Pressstäbe oder Verdichtungsstifte 54 verdichtet, und wird wiederum direkt auf dem Spitzenabschnitt 48 des Grundmaterials 10 abgelagert, um somit einen fertigen oder nahezu fertigen Zahn zu bilden.
Eine nach dem Prozess stattfindende Kantenmodifizierung wird gegebenenfalls ausgeführt, wenn ein nahezu fertiger Zahn gebildet wird. Mit anderen Worten kann die nun ganz vollständige Kante zum Schneiden verwendet werden. Jedoch ist es möglich, dass eine bestimmte direkte Ablagerungsoperation keine scharfe Kante bilden wird. In diesem Fall ist eine weitere Operation nötig (z. B. ein Schliff auf der Spanfläche), um die Schneidfläche zu modifizieren. Zuletzt wird gegebenenfalls ein Oberflächenbearbeitungsprozess verwendet, der beinhaltet, dass der fertigen Kante ein Schutzmaterial hinzugefügt wird. In einigen Fällen kann dies das Hinzufügen eines schützenden Kantenmaterials aus Plastik oder das Beschichten der Kantenmaterialoberfläche vor dem Verpacken umfassen.
Der Prozess des direkten Ablagerns eines Kantenmaterials auf dem Klingengrundmaterial 10 umfasst das Platzieren des Klingengrundmaterials 10 auf einem Zufuhrtisch (nicht gezeigt) der Vorrichtung und das Einfädeln des Klingengrundmaterials in einen Einreihungsabschnitt (nicht gezeigt) der Vorrichtung. Als Nächstes werden passende Formen 42, 44 und entsprechende Verdichtungsstifte 54 für den benötigten Zahnabstand und die Spitzengeometrie ausgewählt. Wie basierend auf den Lehren hierin für den Durchschnittsfachmann ersichtlich ist, kann die Vorrichtung eine Mehrzahl von verschiedenen Formen und Verdichtungsstiften umfassen, die in ihrer Form verschiedenen Zahngeometrien oder anderen Werkzeuggeometrien entsprechen, die gelagert werden können und auswechselbar mit der Vorrichtung verwendet werden können. Das Pulverkantenmaterial 70 wird in den Zufuhrtrichter 72 geladen. Ein erster Zahn 50 wird in einen durch den Formhohlraum 46 definierten Bereich eingereiht. Die Formen 42, 44 werden dann axial aufeinander zu verschoben, um aneinander anzuliegen und den Formhohlraum 46 auf dem Spitzenabschnitt 48 des jeweiligen Zahns 50 zu verschließen. Der Formhohlraum 46 wird dann mit Pulverkantenmaterial 70 aus dem Trichter 72 über die Öffnungen 62, 64 befüllt. Das Pulverkantenmaterial 70 wird über die Betätigung der Verdichtungsstifte 54 verdichtet. Der Verdichtungsdruck wird auf ein für den Auswurf adäquates Niveau verringert, wenn die Formen 42, 44 zurückgezogen werden, während die Verdichtungsstifte 54 im Kontakt mit dem Zahnspitzenabschnitt 48 bleiben, um das Entfernen der Formen zu erleichtern.
Wenn die Formen 42, 44 zurückgezogen werden, wird Sinterwärme dem Kantenmaterial zugeführt, während die Verdichtungsstifte immer noch mit dem Spitzenabschnitt 48 in Eingriff stehen. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird einem gesamten Abschnitt der Spitze Wärme zugeführt, der durch das abgelagerte Pulverkantenmaterial 70 definiert ist. Alternativ kann man, wie oben beschrieben, die Wärme dem Kantenmaterial zuführen, wobei die Form sich im geschlossenen Zustand befindet. Wärme wird beispielsweise durch Induktions-, Laser- oder Mikrowellenenergie zugeführt, ist aber nicht darauf beschränkt. Das Ziel an diesem Punkt ist es, das Kantenmaterial 70 vollständig zu sintern und eine Verbindung zwischen dem Kantenmaterial und dem Substrat 48 zu bilden. Es ist zu beachten, dass, obwohl die Erwärmung nur des Kantenmaterials 70 ausreichend sein wird, das Substrat 48, auf das es aufgetragen ist, unausweichlich ebenfalls erwärmt wird. Mit anderen Worten wird die endformnahe oder endförmige Spitze auf dem Substrat 48 so ausgebildet, dass das Substrat der Kern der Spitze ist. Die ausgewählte Temperatur und Zeit hängen von dem gewünschten letztendlichen Zweck und den verwendeten Materialien ab. Jedoch ist zu beachten, dass im Falle dessen, dass man gesintertes Carbid mit einem Federstahlgrundmaterial 10 (z. B. Cr/Mo-Mischung, die eine Härte von ungefähr Rc 45–52 definiert) verbindet, die gewählte Temperatur und Dauer so sein sollten, das kein Schmelzen und Umschmelzen des Grundmaterialstahls ermöglicht wird. Mit anderen Worten sollte die Schweißzonengrenzfläche duktil sein. In einer anderen Ausführungsform darf die Wärme nur einem Grenzflächenbereich zwischen dem Zahnspitzenabschnitt 48 und dem abgelagerten Kantenmaterial zugeführt werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird in Betracht gezogen, dass das Kantenmaterial ein herkömmliches Material mit ungefähr 10% einfachem Cobalt-Wolframcarbid ist. Jedoch stellt man sich vor, dass ”technisch angepasste Materialien” oder verfügbare ”Brücken”-HSS-Materialien auch verwendet werden können. Wie für den Durchschnittsfachmann ersichtlich ist, können viele verschiedene Materialien, die gegenwärtig bekannt sind oder später bekannt werden, verwendet werden.
6 zeigt einen der Spitzenabschnitte 48 mit einem Störungs- oder Verriegelungsmerkmal 80, das als eine im Wesentlichen schwalbenschwanzförmige Ausnehmung 80 gestaltet ist, die sich nach innen von einem konkaven Abschnitt 82 erstreckt, der eine Spitze jedes Zahns 50 definiert. Das Störungs- oder Verriegelungsmerkmal 80 sorgt für eine mechanische Verriegelung für das abgelagerte Kantenmaterial 70. Auf diese Weise wird eine metallurgische Verbindung an einer Grenzfläche zwischen dem Substrat (z. B. dem Grundmaterial 10) und dem abgelagerten Kantenmaterial 70 unterstützt, wodurch die alleinige Abhängigkeit von einer metallurgischen Verbindung vermieden wird. Fachleuten ist ersichtlich, dass die Störung oder Verriegelung 80 die Form vieler verschiedener für den gewünschten letztendlichen Zweck geeigneter Formen aufweisen kann, wie etwa viel verschiedene Vorsprünge oder Ausnehmungen in vielen verschiedenen Formen.
6 zeigt weiter den axial verschiebbaren Verdichtungsstift 54 zum Komprimieren von Pulvermetall 70 innerhalb des Hohlraums 46 und Definieren einer Seite einer endförmigen oder endformnahen Schneidspitze jedes Zahns 50. Der Stift 54 ist an einem Ende mit einer Kompressionsfläche 52 definiert, die eine bei 84 allgemein angedeutete Werkzeugspitzenform definiert. In dem Ausführungsbeispiel von 6 definiert eine umlaufende Kontur der Kompressionsfläche 52 eine Werkzeugspitzenform eines endförmigen oder endformnahen Zahns. Zum Beispiel kann eine durch die Fläche 52 des Stiftes 54 definierte führende Kante 88 alternativ so ausgestaltet sein, dass sie einen sich davon erstreckenden und der führenden Kante 90 des Zahns 50 entsprechenden Vorsprung 86 aufweist, wie in 6 gezeigt, oder dass sie einen Spanbrecher 92 aufweist, wie in 7 gezeigt. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines endförmigen oder endformnahen Zahnprofils mit einer minimierten Oberfläche, die allgemein bei 94 angedeutet ist, um Späne zu berühren, und das durch das oben beschriebene System und Verfahren möglich gemacht wurde. 8 ist repräsentativ für eine Zahnprofilgeometrie, die gegenwärtig nicht durch herkömmliche Schleifprozesse gebildet werden kann.
Obwohl das obige System und Verfahren unter Bezugnahme auf die Herstellung von carbidbestückten Bandsägeblättern beschrieben wurden, wird es für die Verwendung mit anderen Typen von Bandsägeblättern, Schnellstahlklingen, Kreissägeblättern, Lochsägeblättern, sich hin- und herbewegenden oder Recip Blättern, vielen anderen Typen von Sägeblättern und vielen anderen Typen von Werkzeugen, wie etwa Schraubendrehern, Zangen, Schraubschlüsseln, etc. in Betracht gezogen, die viele verschiedene mit vielen verschiedenen Materialtypen in vielen verschiedenen Formen gebildete Verschleiß- und Arbeitsoberflächen definieren können. In der Tat stellt man sich vor, dass jedes Produkt, das eine Verschleiß- oder Arbeitsoberfläche aufweist, von der oben beschrieben Vorrichtung und dem oben beschriebenen Prozess profitieren kann.
Obwohl das Pulver 70 im Trichter 72 (2) als ein Pulvermetall beschrieben wurde, kann das Pulver eisenhaltiges Pulver, fluidisiertes Pulver, mit wässrigen Lösungen behandelte Pulver und beschichtete Partikel mit technisch angepassten Eigenschaften umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt. Verschiedene technisch angepasste Eigenschaften beschichteter Partikel, wie auch beschichteter Pulver, eisenhaltiger Pulver und fluidisierter Pulver, die in Verbindung mit der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind in den US-Patenten mit den Nummern 5,820,721 von Beane et al., 6,042,781 von Lashmore et al., 6,251,339 von Beane et al., 5,885,496 von Beane et al., 5,885,625 von Beane et al., 5,945,135 von Beane et al., 5,897,826 von Lashmore et al., und 6,241,935 von Beane et al., von denen jedes in seiner Gesamtheit hiermit ausdrücklich durch Bezugnahme als Teil der Offenbarung umfasst wird.
Beschichtete Partikel mit technisch angepassten Eigenschaften
Wie oben beschrieben, kann das Pulverkantenmaterial 70 die Form beschichteter Partikel mit technisch angepassten Eigenschaften annehmen. In einigen solchen Ausführungsformen ist jedes beschichtete Partikel aus einem ersten Material hergestellt und mit einem zweiten Material beschichtet, so dass das Verhältnis von Volumen der Beschichtung relativ zum Volumen des Partikels im Wesentlichen gleich einem ausgewählten Volumenanteil ist. Das erste und zweite Material und der Volumenanteil werden bevorzugt so ausgewählt, dass sie bewirken, dass die beschichteten Partikel zumindest eine ausgewählte intrinsische Eigenschaft zeigen, die eine Funktion der intrinsischen Eigenschaften des ersten und zweiten Materials ist. Das erste Material kann zum Beispiel Wolfram, Wolframcarbid, Molybdän, Graphit, Siliziumcarbid oder Diamant sein. Das zweite Material kann zum Beispiel Cobalt, Nickel oder Kupfer sein. Durch diesen Prozess wird ein beschichtetes Partikel hergestellt, das eine oder mehr technisch angepasste intrinsische Eigenschaften (wie etwa Härte, Zähigkeit, Wärmeleitfähigkeit oder thermischer Ausdehnungskoeffizient) aufweist, die sich von den intrinsischen Eigenschaften des ersten und zweiten Materials selbst unterscheiden. Die Mehrzahl von beschichteten Partikel (möglicherweise mit anderen Partikeln gemischt) wird dann konsolidiert, um zu bewirken, dass alle Partikel miteinander verbunden werden, um eine Arbeits- oder Verschleißoberfläche zu bilden (z. B. eine Schneidkante, wie oben beschrieben). Wie oben besprochen, werden die beschichteten Partikel durch Verdichtung und Feststoff- oder Flüssigphasensintern konsolidiert. Sintern bewirkt, dass das zweite Material Verbindungen zwischen benachbarten Partikeln bildet. Die verdichtete Arbeitsoberfläche kann feststoffgesintert sein (gesintert bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Partikel und des Schmelzpunktes der Beschichtungen der Partikel), oder kann alternativ flüssigphasengesintert sein (gesintert bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Beschichtungen der Partikel, aber unterhalb des Schmelzpunktes der Partikel). Das Sintern bewirkt, dass sich zwischen den Partikeln Verbindungen bilden, um eine heterogene Arbeitsoberfläche bereitzustellen. Die Beschichtung der Partikel dient somit als ein ”Matrixmaterial” (ein Material, dass die Partikel zusammenhält, was die Arbeitsoberfläche bildet).
Bezug nehmend auf 9 wird ein beispielhaftes Partikel 102, das nur wenige Mikron Durchmesser haben kann, und das ein elementares Metall, eine Metalllegierung und ein Nichtmetall umfasst, mit einer Beschichtung 104 aus einem elementaren Metall, einer Metalllegierung oder einem Nichtmetall bedeckt, um ein beschichtetes Partikel 100 zu bilden. Das beschichtete Partikel 100 kann technisch angepasste intrinsische physikalische Eigenschaften (z. B. Wärmeleitfähigkeit oder thermischer Ausdehnungskoeffizient) aufweisen, und/oder intrinsische mechanische Eigenschaften (wie etwa Härte, Zähigkeit und Zugfestigkeit). Die intrinsischen physikalischen Eigenschaften (jedoch nicht die intrinsischen mechanischen Eigenschaften) jedes beschichteten Partikels 100 tendieren dazu, sich im Einklang mit der Regel über Mischungen von Lacce zu verhalten, nach der die intrinsischen physikalischen Eigenschaften ungefähr linear in Bezug auf das Verhältnis des Volumens der Beschichtung 104 zu dem Volumen des Partikels 102 variieren. Mechanische Eigenschaften können nichtlinear mit dem Verhältnis des Volumens der Beschichtung 104 zu dem Volumen des jeweiligen Partikels 102 variieren.
Die Beschichtung 104 wird haftend auf das Partikel 102 aufgebracht, z. B. durch nicht-elektrische Ablagerung (eine Technik, die im US-Patent Nr. 5,820,721 von Beane et al. besprochen wird, deren Inhalt vollumfänglich hierin durch Bezugnahme umfasst wird). Die intrinsischen Eigenschaften jedes beschichteten Partikels 100 werden technisch angepasst, indem man den Volumenanteil der Beschichtung 104 relativ zu dem Partikel steuert 102, was auf zumindest zwei Wegen erreicht werden kann: 1) durch Steuern der Größe des Partikels 102, oder 2) durch Steuern der Dicke der Beschichtung 104.
In einer Ausführungsform umfasst das Partikel 102 zum Beispiel elementares Wolfram, die Beschichtung 104 umfasst elementares Kupfer, und der Volumenanteil von Kupfer zu Wolfram beträgt ungefähr 27% zu 73%. Kupfer hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 391 w/m°K (Watt pro Meter-Grad Kelvin) und einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 17,5 ppm/°C (parts per million pro Grad Celsius) über den Temperaturbereich von 25°C bis 400°C, während Wolfram eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 164 w/m°K und einen relativ niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 4,5 ppm/°C über den Temperaturbereich von 25°C bis 400°C aufweist. Ein beispielhaftes kupferbeschichtetes Wolfram-Partikel 100 weist eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 226 w/m°K bei 25°C (zwischen der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit von Wolfram liegend) und einen technisch angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 8,2 ppm/°C (zwischen dem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Wolfram und dem hohen thermische Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer liegend) über den Bereich von 25°C bis 400°C auf.
Das Formwerkzeug 40 einschließlich der Formen 42, 44 und der Verdichtungsstifte 54 aus 2 können eingesetzt werden, um die beschichteten Partikel 100 in eine Verschleiß- oder Arbeitsoberfläche auf einem Substrat zu konsolidieren, wie etwa einem Grundmaterial 10.
Andere Ausführungsformen beschichteter Partikel 100 werden in Betracht gezogen und liegen im Umfang der Ansprüche. Zum Beispiel gibt es zahlreiche Materialien, aus denen Partikel 102 und Beschichtungen 104, (9) gebildet werden können. Partikel 102 können z. B. aus Wolfram, Wolframcarbid (WC), Molybdän, Graphit, Siliziumcarbid, Diamant, Nickel 42, KOVAR oder einer Keramik bestehen, und die Beschichtung 104 kann z. B. aus Kupfer, Aluminium, Cobalt (Co) oder Nickel (Ni) bestehen.
Die Beschichtung kann sogar ein Nichtmetall sein (z. B. ein Glas, Oxid, Keramik, Harz, Polymer, oder ein anderer organischer Stoff, wie etwa Silikon), vorausgesetzt, dass das Beschichtungsmaterial zum Schmelzen in der Lage ist, um Verbindungen zwischen den Partikeln zu bilden, und vorausgesetzt, das weder das Beschichtungsmaterial noch das Material, aus dem die Partikel gebildet sind, bei einer niedrigeren Temperatur schmilzt als der, bei denen die beschichteten Partikel gebrannt werden, um zu bewirken, dass die nichtmetallischen Beschichtungen verschmelzen. Partikel können mit einer solchen nichtmetallischen Beschichtung beschichtet werden, indem man die Partikel in einem Schlamm aus dem nichtmetallischen Material platziert und die Partikel dann aus dem Schlamm entfernt, wobei die Partikel so dimensioniert sind, dass, wenn die beschichteten Partikel aus dem Schlamm entfernt werden, die beschichteten Partikel einen ausgewählten Volumenanteil von Beschichtung zu Partikelmaterial aufweisen. Die beschichteten Partikel werden dann konsolidiert und/oder gebrannt, was bewirkt, dass die Beschichtungen verglasen oder miteinander verschmelzen.
Grafit und Diamant sind gute Materialien, um daraus die Partikel 102 zu bilden, wo die Arbeitsoberfläche, die hergestellt wird, einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen muss, da diese Materialien nicht nur einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (wie dies Wolfram und Molybdän auch haben) sondern auch eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen (im Gegensatz zu Wolfram und Molybdän). Dementsprechend haben diese Materialien den Vorteil, dass sie nicht die negative Nebenwirkung haben, die Wärmeleitfähigkeit der beschichteten Partikel und von aus den beschichteten Partikeln gebildeten Artikeln und Beschichtungen zu verringern.
Es ist möglich, viele intrinsische Eigenschaften neben der Wärmeleitfähigkeit oder dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten technisch anzupassen. Zum Beispiel können die elektrische Leitfähigkeit einer Arbeitsoberfläche, Verschleißoberfläche oder anderer Oberfläche in Kombination mit der technischen Anpassung anderer intrinsischer Eigenschaften technisch angepasst werden. Somit basiert bei einer Ausführungsform die Wahl zwischen der Verwendung von Graphitpartikeln (die elektrisch leitend sind) und Diamantpartikeln (die elektrische Isolatoren sind) auf der elektrischen Leitfähigkeit der verdichteten Pulveroberfläche.
Man stellt sich ebenso vor, dass Partikel 100 nicht vollständig aus beschichteten Partikeln bestehen müssen. Alternativ kann eine Mischung aus beschichteten Partikel kombiniert mit anderen Partikeln (z. B. können kupferbeschichtete Wolframpartikel mit Kupferpartikeln kombiniert werden) innig durchmischt und dann verdichtet werden, um eine Verschleißoberfläche auf einem Artikel, wie etwa zum Beispiel einer Werkzeugspitze, zu bilden, die intrinsische Eigenschaften aufweist, die eine Funktion der Volumenanteile aller Materialien der Mischung sind, wobei die Verschleißoberfläche isotrop die intrinsischen Eigenschaften zeigt. Alternativ können die beschichteten Partikel mit Materialien kombiniert werden, die eine oder mehr intrinsische Eigenschaften anisotrop zeigen, was bewirkt, dass die Verschleißoberfläche wiederum eine der mehr intrinsische Eigenschaften anisotrop zeigt. Zum Beispiel können die beschichteten Partikel mit kristallinen Materialien gemischt werden, die Eigenschaften aufweisen, die sich in unterschiedlichen Richtungen unterscheiden, wobei die kristallinen Materialien so mit den beschichteten Partikel vermischt werden, dass die kristallinen Materialien dazu tendieren, in einer gemeinsamen Richtung orientiert zu sein. In einem weiteren Beispiel werden die beschichteten Partikel mit Kohlefasern gemischt, wobei die Kohlefasern dazu neigen, in einer gemeinsamen Richtung orientiert zu sein. Die Kohlefasern sorgen für Zugfestigkeit, die in Bezug auf die Richtung variiert.
Wie oben besprochen, haben die beschichteten Partikel einen Nutzen in einer breiten Vielfalt von Anwendungen. Die beschichteten Partikel können unter Druck verdichtet werden, um eine endförmige oder endformnahe Arbeits- oder Verschleißoberfläche zu bilden. Die Verdichtung zur Herstellung von Verschleißoberflächen aus beschichteten Partikeln kann zum Beispiel durch Metallspritzguss, Heißpressen, isostatisches Heißpressen (”Hipping”), isostatisches Kaltpressen (”cipping”), isostatisches Heiß- oder Kaltschmieden, Heiß- oder Kaltrollenverdichten (was konsolidierte beschichtete Partikel ”dicht macht”), Prägen, Schmieden, Pulverspritzguss, Druckgießen oder andere Pulvermetallurgietechniken die gegenwärtig bekannt sind oder zukünftig bekannt werden, erreicht werden.
Mit wässriger Aktivierungslösung behandelte Pulver
Alternativ kann das Pulvermaterial 70 mit einer wässrigen Aktivierungslösung und Druck behandelt werden, der ausgeübt wird, um das behandelte Material in eine endförmige oder endformnahe Form bei oder nahe der Umgebungstemperatur zu konsolidieren. In vielen Fällen kann es sein, dass keine weiteren Verarbeitungsschritte, insbesondere Hochtemperatursintern, benötigt werden, um eine vollständig dichte, gut verbundene, endförmige oder endformnahe Arbeits- oder Verschleißoberfläche zu erzeugen.
Das Verfahren umfasst die Behandlung des Pulvermaterials mit einer wässrigen Aktivierungslösung und die Verwendung von Druck, um das behandelte Material in eine endförmige oder endformnahe Form bei oder nahe Umgebungstemperatur zu konsolidieren. Für diesen Prozess (und als Kantenmaterialien für andere Materialien) geeignete Metallegierungen umfassen zum Beispiel Legierungen von Eisen (z. B. Stahl), sind aber nicht darauf beschränkt. Beispielhafte Materialien, die mit einem passenden Metall oder einer passenden Legierung beschichtet und dann in eine endförmige oder endformnahe Arbeitsoberfläche konsolidiert werden, können Pulver, Partikel, Bleche und Folien aus Edelstahl, Zink, Eisen, Titan, Hafnium, Molybdän, Tantal, Niob, Vanadium, Zink, Gallium, Lanthan, Rhenium, Zinn, Yttrium, Scandium, Thorium, Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Gadolinium, Terbium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium, Graphit, Diamant, Wolfram, Aluminium, Siliziumcarbid, Wolframcarbid, Molybdän, Titan, Nickel und Eisen umfassen. Wie anhand der vorangehenden Liste gezeigt, können bestimmte Materialien beschichtet oder unbeschichtet konsolidiert werden oder selbst als eine Beschichtung verwendet werden. Alle der vorgenannten Materialien können anfangs mit der jeweiligen Beschichtung aus einem Metall, wie etwa Nickel, Kobalt, oder Kupfer versehen werden, oder alternativ kann die vorliegende Offenbarung den optionalen Schritt des Beschichtens des jeweiligen zu beschichtenden Materials vor seiner Behandlung mit der Aktivierungslösung umfassen.
Die zu konsolidierenden Materialien werden mit einer wässrigen Aktivierungslösung behandelt, um deren Oberflächen unter Druck bei Umgebungstemperatur kalt miteinander zu verschweißen. Die wässrige Aktivierungslösung sollte bevorzugt aus einer Säure, einem Reduktionsmittel, Mischungen daraus oder einem geschmolzenen Salzelektrolyt bestehen. Das Wesen und die genaue Konzentration jeder jeweiligen Komponente der Aktivierungslösung hängt von dem Wesen der Anwendung ab, d. h. das genaue Material, das kaltverschweißt wird, und die genauen Eigenschaften der resultierenden Arbeits- oder Verschleißoberfläche.
Jedes wässrige Medium kann als das Lösungsmittel verwendet werden, in dem die Säure oder das Reduktionsmittel gelöst wird, um die wässrige Aktivierungslösung zu erzeugen. Geeignete Lösungsmittel umfassen Wasser, Öl, Methanol, Toluol, Benzol, Salpetersäure, Ethanol, Salzsäure, Flusssäure, Bromwasserstoffsäure und geschmolzene Salze, wie etwa Chloraluminat und Methylzoliumchlorid, sind aber nicht darauf beschränkt. In einigen Ausführungsformen ist angesäuertes Wasser als Lösungsmittel für die Aktivierungslösung bevorzugt.
Passende Salze zur Verwendung in der Aktivierungslösung umfassen Fluoroborsäure, Schwefelsäure, Flusssäure, Salzsäure, Zitronensäure, Adipinsäure, Ascorbinsäure, Natriumascorbat, Kaliumascorbat, Sulfamidsäure, Ammoniumbifluorid, Salpetersäure, Essigsäure, Acetessigsäure, Anissäure, Ascorbinsäure, Benzoesäure, Iodwasserstoffsäure, Bromwasserstoffsäure, und Mischungen davon, sind aber nicht darauf beschränkt. In allen Fällen sollte der pH-Wert der Säure bevorzugt gleich oder nahe ihrem pKa-Wert sein. Ferner sollte die bevorzugte Konzentration für die Säure in der wässrigen Lösung von ungefähr 0,1% bis ungefähr 10 Gewichts-% betragen, bei einer Temperatur von ungefähr 25°C bis ungefähr 50°C. Das steuernde Merkmal sollte der pH-Wert der Säure in der Lösung sein, somit sollten alle anderen Parameter so eingestellt sein, dass sie den passenden pH der Säure in der Lösung sicherstellen.
Sobald sie behandelt wurden, werden die Pulver in eine endförmige oder endformnahe Arbeits- oder Verschleißoberfläche mit erhöhter Grünfestigkeit konsolidiert (erhöht, um die Notwendigkeit für einen Hochtemperatursinterschritt zu beseitigen). Außerdem können vor der Konsolidierung metallische und/oder nicht metallische harte Komponenten, wie etwa Oxid-, Carbid- oder Nitridpartikel in der Form von hochfesten Strukturwhisker-, Partikel-, Faser- oder Drahtadditiven in die Mischung eingearbeitet werden. Derartige Additive können Aluminiumoxidpulver, Siliziumcarbidpulver, Graphit, Diamant, Saphir, Borcarbid, Wolframcarbid und dergleichen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Andere Whisker-Faser- oder Partikeladditive liegen ebenfalls im Umfang der vorliegenden Offenbarung.
Der Druck, der verwendet wird, um das Material der Wahl in eine endförmige oder endformnahe Arbeits- oder Verschleißoberfläche zu konsolidieren, kann durch die in 16 oder 2 gezeigten Formpressen bereitgestellt werden. Wenn der Schritt der Konsolidierung des Materials in dem Formhohlraum solch einer Pulverpresse stattfindet, bewegt sich der bevorzugte Druck zum Konsolidieren des Materials in einen zusammenhängenden Feststoff im Bereich von ungefähr 20 Kpsi bis ungefähr 120 Kpsi. Der genaue verwendete Druck wird mit dem Material, das konsolidiert wird, und der Komplexität und der gewünschten Dichte der Arbeits- oder Verschleißoberfläche, die hergestellt wird, und der Lasten rate der Presse variieren. Einige Materialien sind lastenratenempfindlich, wie etwa kupferbeschichtetes Aluminium und eisenhaltige Legierungen. In solchen Fällen sollten bevorzugte Lastenraten (Geschwindigkeit der Verdichtungsstifte 54 oder des Formstempels) zwischen ungefähr 0,5 mm/Sekunde bis ungefähr 100 mm/Sekunde betragen.
Die zwischen den geeignet behandelten Materialien vorhandene Flüssigkeit wird aus den Pulvern, Partikeln, Folien oder Blechen während des Konsolidierungsschrittes durch den während der Verdichtung erzeugten Druck herausgedrückt. Alternativ kann die Flüssigkeit vor der eigentlichen Konsolidierung durch jedes passende Mittel hierfür entfernt werden, wie etwa durch Vakuum. Die Flüssigkeit sorgt zusätzlich dazu, dass sie es den Partikeln ermöglicht, miteinander verschweißt zu werden, für einen sehr wichtigen sekundären Sicherheitsnutzen, indem sie sehr kleine Partikel unter der Flüssigkeitsoberfläche hält, so dass diese sicherer gehandhabt werden können.
Dementsprechend richtet sich die vorliegende Offenbarung auch auf ein Verfahren, Nichtmetallpartikeln, Metallpartikeln, Metalllegierungspartikeln oder intermetallischem partikulärem Material die Fähigkeit zu geben, sich zu einer endförmigen oder endformnahen Arbeitsoberfläche mit erhöhter Grünfestigkeit unter Druck bei Umgebungstemperatur zu konsolidieren, oder bei relativ geringen Sintertemperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur. Das Verfahren umfasst die Schritte des Hinzufügens einer Menge wässriger Aktivierungslösung zu dem Material in einer Konzentration und bei einem pH, der ausreicht, dem Partikelmaterial die Fähigkeit zu verleihen, eine endförmige oder endformnahe Arbeitsoberfläche mit erhöhter Grünfestigkeit zu bilden, wenn Druck darauf ausgeübt wird. Die wässrige Aktivierungslösung umfasst eine Säure, ein Reduktionsmittel oder Mischungen daraus, wie in zuvor beschriebenen Ausführungsformen, oder ein geschmolzenes Salzelektrolyt. Die Auswahl des passenden pH-Wertes und der Konzentration der Säure, des Reduktionsmittels und des geschmolzenen Salzelektrolyts für diese Ausführungsformen ist ebenfalls dieselbe wie die, die detailliert oben für andere Ausführungsformen beschrieben ist, und die beschrieben wird im US-Patent Nr. 6,042,781 von Lashmore et al., dessen Inhalt vollumfänglich hierin durch Bezugnahme umfasst wird.
Eisenhaltiges Partikelmaterial
Für die Zwecke dieser Offenbarung soll ”eisenhaltig” alle Eisenmaterialien einschließlich Legierungen von Eisen, wie auch reines Eisen und alle Stähle umfassen. Die vorliegende Offenbarung betrachtet ferner ein Verfahren zur Erhöhung der Gründichte von Arbeits- oder Verschleißoberflächen durch das Verpressen von Pulvern von Materialien, wie etwa eisenhaltigen Materialien, die schnell verarbeitungsverfestigen, selbst hart sind, und/oder bei Verdichtung Punkt zu Punkt „verschweißen”. Da das Verfahren keinen Hochtemperatursinterschritt erfordert, kann sie des Weiteren ohne weiteres dazu verwendet werden, Arbeits- oder Verschleißoberflächen von Werkzeugen herzustellen, die komplexe Geometrien und enge Abmessungstoleranzen aufweisen.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Bereitstellung einer Menge von Partikeln eines Materials, dass sich bei Verdichtung verschweißt, wie etwa ein eisenhaltiges Material oder Materialien, die selbst hart sind, wie zum Beispiel Stahl; die elektrochemische Ablagerung einer Schicht von ungefähr größer als ungefähr 0 Gew.-% bis ungefähr 50 Gew.-%, und bevorzugt weniger als ungefähr 2 Gew.-%, duktilen Metalls oder duktiler Legierung auf jedes der partikulären Materialien. Das Metall wirkt als ein Schmierstoff und/oder wirkt zur Beseitigung der Verschweißung der Partikel untereinander und eines Partikels an die Formwand. Die so plattierten oder beschichteten Partikel werden dann unter Druck konsolidiert, um eine Verschleißoberfläche zu bilden, die auf einem Werkzeugsubstrat abgelagert ist, und die Verschleißoberfläche und die Grenzfläche dazwischen werden erwärmt. Indem man solche relativ niedrigen Temperaturen im Erwärmungsschritt verwendet, und indem man mit einem Material höherer Dichte beginnt, wird die konsolidierte Verschleißoberfläche nicht in ihrer Form verzerrt, wie sie es ansonsten durch traditionelles Hochtemperatursintern werden könnte.
Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass es die Formverzerrungsprobleme vermeidet, die mit dem Hochtemperatursintern von Pulvermetallurgieteilen des Standes der Technik einhergehen, indem es ein Verfahren bereitstellt, mittels dessen gepresste Arbeitsoberflächen bei relativ niedrigen Temperaturen erwärmt werden können, da a) die im Wesentlichen einheitlichen metallurgischen Beschichtungen auf den Partikeln für Schmierfähigkeit sorgen, und es daher ermöglichen, die Teile auf höhere Gründichten als die traditionellen zu verpressen, und somit höhere Temperaturen nicht benötigt werden, um die innere Porosität im grünen Teil kollabieren zu lassen und seine Dichte zu erhöhen, und b) die einheitlichen Beschichtungen um jedes Partikel herum kürzere Diffusionsabstände zwischen dem Metallbeschichtungsmaterial und dem Kernpartikel ermöglichen, was die Notwendigkeit höherer Temperaturen zur Förderung der Homogenität in der fertigen Arbeitsoberfläche beseitigt. Als ein erster Schritt wird eine im Wesentlichen einheitliche metallurgische Schicht aus größer als ungefähr 0 Gew.-% bis ungefähr 50 Gew.-% (und für einige Anwendungen, z. B. Schmieren, kann dies geringer als ungefähr 2 Gew.-% sein) duktilen Metalls oder duktiler Legierung elektrochemisch auf jedem der partikulären Materialien abgelagert. Für die Zwecke dieser Offenbarung sollte ”partikuläre Materialien” so ausgelegt werden, dass sie Pulver, Whisker, Fasern, durchgängige Drähte, Bleche und Folien einschließt. Geeignete eisenhaltige Materialien zur Verwendung bei diesem Prozess schließen Eisen, Stähle, Edelstähle ein, sind aber nicht darauf beschränkt, wie beispielsweise M2 (0,85C, 0,34Mn, 0,30Si, 4,0Cr, 2,0V, 6,0W, 5,0Mo), M4 (1,30C, 0,30Mn, 0,30Si, 4,0Cr, 4,0V, 5,5W, 4,5Mo), S7 (0,5C, 1,4Mo, 3,25Cr) und 52100F Stahllegierungen.
Das Beschichten kann durch jedes im Stand der Technik bekannte Verfahren zur Bereitstellung von metallurgischen Beschichtungen auf Metallpulvern durchgeführt werden. In einigen Ausführungsformen wird der Beschichtungsschritt durch elektrochemische Ablagerung, wie etwa durch Elektroplattierung, durchgeführt, um eine möglichst einheitliche Schicht des Metallmaterials auf dem partikulären eisenhaltigen Material sicherzustellen. Eine Bedingung ist, dass die Metallbeschichtung eine echte metallurgische Beschichtung ist. Daher kann jedes bekannte Beschichtungsverfahren (z. B. Sputtern, CVD oder chemische Reduktion) oder Elektroplattierung zur Beschichtung der Partikel verwendet werden. Ein Verfahren zum Plattieren der Schicht aus duktilem Metall oder duktiler Legierung auf das partikuläre Material verwendet eine Fließbettvorrichtung des Typs, der im US- Patent Nr. 5,603,815 von Lashmore et al., offenbart wird, dessen Inhalt hiermit vollumfänglich hierin durch Bezugnahme umfasst wird.
Allgemein sind alle bekannten duktilen Materialien für die Verwendung geeignet. Das passende Beschichtungsmaterial sollte aufgrund seiner Fähigkeit, die eisenhaltigen partikulären Materialien während der Konsolidierung zu ”schmieren” ausgewählt werden. Ferner kann das Beschichtungsmaterial aufgrund seiner Eigenschaften, wie etwa der mechanischen, Zugfestigkeits-, Festigkeitseigenschaften usw. ausgewählt werden. Indem man die Eisen- (oder Stahl-)Partikel mit Materialien beschichtet, die andere wünschenswerte Eigenschaften aufweisen, kann der offenbarte Prozess verwendet werden, um Eigenschaften von Arbeits- oder Verschleißoberfläche aus Eisen- (oder Stahl-)Pulvern technisch anzupassen oder zu verbessern, zusätzlich zur Erhöhung der Gründichte. Cobalt, Nickel, Kupfer, Titan und Zink werden allgemein aufgrund Ihrer Fähigkeit, sich in das Kernmaterial hinein zu lösen und dem fertigen Teil hervorragende mechanische Eigenschaften zu verleihen, ausgewählt.
In einem Ausführungsbeispiel kann das partikuläre Material Stahl sein (für die Festigkeit), und das Beschichtungsmaterial kann Cobalt sein (für Schmierfähigkeit und mechanische Eigenschaften). Daher kann in einem solchen Fall das Verfahren für die Herstellung eines vollständig dichten Teils mit sowohl der hervorragenden Zugfestigkeit von Stahl wie auch den hervorragenden mechanischen Eigenschaften von Kobalt sorgen. Der Durchschnittsfachmann kann sich basierend auf den Lehren hierin viele passende Kombinationen für partikuläre und Beschichtungsmaterialien und deren jeweilige Eigenschaften vorstellen, und die Offenbarung sollte daher nicht als auf das Auswählen von Materialien nur aufgrund von Festigkeit und mechanischen Eigenschaften bezogen ausgelegt werden, oder auf eisenhaltige Metalle, oder in der Tat Metall überhaupt, beschränkt werden. Metallbeschichtete Keramiken sollten ebenfalls im Umfang der vorliegenden Offenbarung liegen. Das Ausmaß, in dem die fertige Arbeits- oder Verschleißoberfläche eine oder beide der jeweiligen Eigenschaften zeigen wird, wird von der relativen Dicke des Beschichtungsmaterials in dem partikulären Material abhängig sein.
Sobald sie beschichtet sind, werden die partikulären Materialien konsolidiert, um eine Verschleißoberfläche auf dem Substrat zu bilden, und bei einer Temperatur von ungefähr 200°C bis ungefähr 800°C erwärmt, für eine Dauer von ungefähr 10 Minuten bis ungefähr 10 Stunden. Bevorzugt beträgt die Temperatur von ungefähr 300°C bis ungefähr 550°C, und die Zeitdauer beträgt von ungefähr 20 Minuten bis ungefähr 180 Minuten. Bei diesem Verfahren sollten allgemein die passenden Temperaturen und Zeiten für diesen Erwärmungsschritt so ausgewählt werden, dass sie hoch genug sind, um zu bewirken, dass das Beschichtungsmaterial in das (partikuläre) Kernmaterial diffundiert, während sie niedrig genug sind, die Verzerrung des Substrats zu verhindern, auf dem die konsolidierten Partikel abgelagert werden.
Obwohl jede Druckquelle zur Konsolidierung oder Verdichtung der Pulver geeignet sein kann, wird der Konsolidierungsschritt bevorzugt in dem Formhohlraum einer Pulverpresse durchgeführt, wie sie zum Beispiel in 1B oder 2 gezeigt ist.
Das betroffene Verfahren ist besonders geeignet zur Herstellung von eisenhaltigen oder anderen metallischen Arbeits- oder Verschleißoberflächen mit komplexen Geometrien mittels Pulvermetallurgie, da Hochtemperatursintern nicht benötigt wird. Ein Beispiel solch einer Metallarbeitsoberfläche ist die Arbeitsoberfläche eines verstellbaren Schraubenschlüssels, wie etwa die einfach oder doppelt gezahnten Backen eines Schraubenschlüssels. Ein weiteres Beispiel solch einer Metallarbeitsoberfläche umfasst die Treibfläche oder den Kopf eines Schraubendrehers, wie etwa einen Kreuzschlitzschraubendreher, Schlitzschraubendreher oder einen anderen Typ Schraubendreher. Solche Teile werden traditionell spanabhebend bearbeitet, um eine Formverzerrung aufgrund von Hochtemperatursintern zu vermeiden. In einigen Ausführungsformen werden die Eigenschaften einer durch Pulvermetallurgie hergestellten Eisen- oder Stahlarbeitsoberfläche technisch angepasst. Es wird ebenfalls in Betracht gezogen, dass ein ferromagnetisches Pulver für derartige Werkzeugspitzen oder andere Arbeitsoberflächen eingesetzt wird. Falls gewünscht, könnten solche Werkzeugspitzen mit magnetischen Eigenschaften derart versehen werden, dass eine mit einem metallischen Befestigungsmittel (z. B. einer Schraube) in Eingriff stehende Werkzeugspitze nicht verloren geht, sobald das Befestigungsmittel entfernt wurde.
Bei allen vorgenannten Ausführungsformen sollte der Erwärmungsschritt (Glühen) bevorzugt in einer reduzierenden Atmosphäre oder in einer neutralen, sauerstofffreien Atmosphäre durchgeführt werden. Eine derartige Atmosphäre kann durch Stickstoff, Wasserstoff, Argon oder ein anderes inertes Gas bereitgestellt werden. Indem man die konsolidierte Arbeitsoberfläche in einer reduzierenden Atmosphäre glüht, wird die Erzeugung von Eisenoxid verhindert.
Fluidisierte partikuläre Materie
Die vorliegende Erfindung kann des Weiteren ein Verfahren zur Erzeugung einer im Wesentlichen einheitlichen Dichteverteilung von partikulärem Material innerhalb des Formhohlraums einer Pulverpresse einsetzen. Das Verfahren umfasst die Förderung einer Menge des partikulären Materials an den Formhohlraum und das Fluidisieren des partikulären Materials vor der Einführung in den Formhohlraum, und/oder innerhalb des Formhohlraums, um im Wesentlichen das partikuläre Material gleichmäßig zu verteilen, so dass es im Wesentlichen in seiner Dichte innerhalb des Formhohlraums einheitlich ist. Der Fluidisierungsschritt kann das Abdichten eines Fließbetts in Flüssigkeitsverbindung mit dem Formhohlraum zum Einführen des vorerhitzten fluidisierten Pulvermetalls in den Formhohlraum, und/oder des Formhohlraums von der Umgebungsatmosphäre und das anschließende Anwenden einer Reihe von zumindest einem Druckimpuls auf das Innere des Fließbetts und/oder des Formhohlraums umfassen. Die Reihe von Druckimpulsen kann im Bereich von ungefähr 2 bis ungefähr 100 Druckimpulsen betragen, von denen jeder das Einleiten von überatmosphärischem Druck in das abgedichtete Fließbett und/oder den Formhohlraum und das anschließende Ausstoßen des Drucks aus dem Fließbett und/oder dem Formhohlraum umfasst. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Fluidisierungsschritt das Einleiten von Druck in das abgedichtete Fließbett und/oder den Formhohlraum im Bereich von ungefähr 1 Pfund pro Quadratzoll (pound per square inch, ”psi”) bis ungefähr 150 psi, für eine Zeitdauer von ungefähr 10× Sekunden, und das zumindest einmalige Ausstoßen für eine Zeitdauer von ungefähr x Sekunden. In einigen dieser Ausführungsformen werden die Druckpulse in das Fließbett und/oder den Formhohlraum bei Drücken im Bereich von ungefähr 1 psi bis ungefähr 150 psi für eine Zeitdauer im Bereich von ungefähr 0,01 Sekunden bis ungefähr 60 Sekunden eingeleitet, und danach Ausstoßen des Drucks zumindest einmal für eine Zeitdauer im Bereich von ungefähr 0,01 Sekunden bis ungefähr 60 Sekunden. Überatmosphärischer Druck wird gegebenenfalls gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig ZU der Pulverzufuhr ausgeübt, um das partikuläre Material in das Fließbett und/oder den Formhohlraum zu drücken.
Bezug nehmend auf 10 werden die typischen Merkmale eines gravimetrischen Pulverfördersystems mit gepulster Zufuhr zur Zufuhr und Förderung einer präzisen Menge von Pulvermetallen in einen Formhohlraum gezeigt. Die Pulvermetalle (nicht gezeigt) werden im Wesentlichen gleichmäßig gefördert unter Verwendung von Druck, um eine Masse von Pulver in alle Regionen des Formhohlraums 46 zu drücken, und die geförderten Pulvermetalle werden durch Betätigung der Verdichtungsstifte 54 oder eines anderen Verdichtungsmechanismus verdichtet. Metallpulver werden nur zu verdeutlichenden Zwecken beschrieben, und die Lehren dieser Offenbarung sollten daher nicht als beschränkend in Bezug auf die Handhabung von Metallpulvern ausgelegt werden, sondern sind ebenso auf die Handhabung und Förderung partikulärer Materialien verschiedener Gewichte und Typen anwendbar, einschließlich, ohne Beschränkung, Flocken, Pulvern, Fasern oder Lagen von Keramik, Polymeren, Carbiden und Zementen (zementartige Materialien, vermengt mit Wasser).
Das Pulverzufuhrsystem aus 10 ist für die Förderung einer Menge eines partikulären Materials an einen Formhohlraum einer Pulverpresse vorgesehen. Wie oben in Verbindung mit 2 beschrieben, umfasst die Pulverpresse einander gegenüberliegende Formen 42, 44, von denen jede einen entsprechenden verschiebbaren Verdichtungsstift 54 aufweist, die Seitenwände des Hohlraums 46 und ein umlaufendes Profil einer resultierenden endförmigen oder endformnahen Arbeitsoberfläche definieren. Das Pulverfördersystem, wie es in 10 gezeigt ist, umfasst eine Aufnahme 113 zum Aufnehmen und Fördern von partikulärem Material an den Formhohlraum 46, und die durch einen inneren Hohlraum definiert ist, der durch eine Innenwand der Aufnahme 113 gebildet wird. Die Aufnahme 113 ist mit den Formoberflächen 60 durch jedes beliebige Verbindungsmittel, wie etwa Schrauben 112, verbunden. Die Schrauben 112 erstrecken sich durch Aufnahmelöcher 124 in Flanschen 125, die sich von den Formen 42, 44 erstrecken und einen Umfang einer jeweiligen Formoberfläche 60 definieren, und erstrecken sich dann durch Gewindelöcher 116 der Aufnahme 113. Die Aufnahme 113 weist einen Zugang auf 115, durch den eine Masse partikulären Materials unter Druck aufgenommen wird, und einen Ausgang 117, der in den Formhohlraum 46 einrastet und damit kommuniziert, und durch den partikuläres Material unter Druck von einer Zufuhrleitung 121 in den Formhohlraum 46 gedrückt wird. Die Zufuhrleitung 121 ist an einem ersten Ende dichtend 123 an dem Aufnahmezugang 115 befestigt.
In 10 wird gezeigt, dass das druckbeaufschlagte Zufuhrsystem eine ringförmige Aufnahme 113 hat und einen ringförmigen Aufnahmekörper 114 aufweist, der den inneren leeren Raum umgibt und definiert, der dem Formhohlraum 46 entspricht. Der Aufnahmekörper 114 hat Seiten 118 und 120, die dichtend an entsprechenden Formoberflächen 60 befestigt sind. Ein Ausstoßportal 135 erstreckt sich durch den Aufnahmekörper 114, um Druck aus dem Formhohlraum 46 zu entlassen.
10 zeigt schematisch einen Druckgenerator 225, der überatmosphärischen Druck bereitstellt, um partikuläres Material von einem Behälter 229 durch die Zufuhrleitung 121 und in den Formhohlraum 46 zu drücken, und um gegebenenfalls partikuläres Material innerhalb des Formhohlraums 46 zu fluidisieren, um eine im Wesentlichen einheitliche Dichteverteilung von partikulärem Material innerhalb des Formhohlraums zu erzeugen. Die Zufuhrleitung 121 ist bevorzugt aus einem Material hergestellt, das keine statische Elektrizität erzeugt. Man fand heraus, dass ein Rohr aus leitfähigem Teflon^TM Material mit darin verteilten Graphitflocken, das sich innerhalb einer Edelstahlhülle für Erdungszwecke befindet, nützlich ist. Jedoch ist jedes nicht-statische oder im Wesentlichen nicht-statische Material, das gegenwärtig bekannt ist oder zukünftig bekannt wird, als Zufuhrleitung geeignet.
Das Ausstoßportal 135 ermöglicht das Entlassen von Druck aus dem Formhohlraum 46, während Druck verwendet wird, um das Pulver in den Hohlraum zu drücken, und kann ebenso in Verbindung mit Druckimpulsen verwendet werden, um die Pulver innerhalb des Formhohlraums zu fluidisieren. Eine Pulverladung wird gegebenenfalls gewogen und von hinten unter Druck in den Formhohlraum 46 gedrückt und, sobald sie sich in dem Formhohlraum (der dazu gebracht wird, sich seinem Wesen nach ähnlich wie eine Flüssigkeit zu verhalten) befindet, fluidisiert, wodurch sie im Wesentlichen gleichmäßig alle Regionen in dem Formhohlraum auf im Wesentlichen gleichmäßige Dichte füllt.
Der Fluidisierschritt dient dazu, das Pulver in dem Formhohlraum 46 so anzupassen, dass es eine im Wesentlichen gleichmäßige Dichte in dem ganzen Hohlraum aufweist. Der Fluidisierschritt kann unabhängig von dem druckbeaufschlagten Pulverförderschritt durchgeführt werden, und kann somit bei traditionellen Pulverzufuhrverfahren und in Zufuhrschuhen verwendet werden, bei denen ein Pendeltransportmittel einfach Pulver in den Formhohlraum fallen lässt. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung kann die Fluidisierung mittels vieler Verfahren durchgeführt werden und kann das Druckbeaufschlagen des Formhohlraums und das Entlassen des Drucks daraus, das Schütteln des gefüllten Formhohlraums durch Vibration (Ultraschall, Schall, Stoßwelle, elektrisches Feld, magnetische Impulse, etc.) oder durch Hinzufügen des mit einer flüssigen Komponente vermengten Pulvers zu dem Formhohlraum (z. B. die wässrige Aktivierungslösung, wie oben besprochen) umfassen, sollte jedoch nicht als darauf beschränkt ausgelegt werden. Eine solche Flüssigkeit könnte im Anschluss durch Verdampfung, Saugen, Vakuum oder Herausdrücken durch Druck entfernt werden.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Fluidisierungsschritt das Fluidisieren und Vorerhitzen des Pulvermetalls vor dem Einführen des Pulvermetalls in den Formhohlraum. In einigen dieser Ausführungsformen wird das Pulvermetall bis auf ungefähr 50% bis ungefähr 75% seiner Sinter- oder Schmelztemperatur vorerhitzt. In anderen Ausführungsformen wird das Pulvermetall bis auf ungefähr 50% seiner Sinter- oder Schmelztemperatur bis ungefähr auf seine Sinter- oder Schmelztemperatur vorerhitzt. In beiden Fällen wird das Pulvermetall vor der Verdichtung innerhalb des Formhohlraums bis auf ungefähr seine Sinter- oder Schmelztemperatur vorerhitzt. Ein erwärmtes Fließbett erhitzt das Pulvermetall vor und fluidisiert es, vor dem Einführen des Pulvermetalls in den Formhohlraum. Eine externe Energie- oder Wärmequelle, wie etwa eine Plasmawärmequelle mit erwärmtem Gas, wie etwa Argongas, erwärmt und fluidisiert das Pulvermetall während seiner Zuführung in den Formhohlraum. Die Plasmawärmequelle erzeugt eine erwärmte Argongassäule, die das Pulvermetall während seiner Zuführung in den Formhohlraum fluidisiert und erwärmt. In einigen derartigen Ausführungsformen ist die Wärmequelle, wie etwa eine Plasmawärmequelle unterhalb oder in anderer Wärmeverbindung mit dem Formhohlraum angebracht. Das Gas, wie etwa Argongas, fließt durch die Wärmequelle, durch den Formhohlraum 46, und somit durch den Einlass zu dem Formhohlraum (d. h. der Einlass, der sich zwischen dem Zugang 115 und dem Ausgang 117 von 10 erstreckt), um das Pulvermetall in dem Einlass und dem Formhohlraum zu fluidisieren, das Pulvermetall im Einlass vorzuerhitzen und das Pulvermetall immer noch und/oder weiter in dem Formhohlraum zu erwärmen. Bei einer solchen Ausführungsform ist die Wärme-/Gasquelle in Flüssigkeitsverbindung mit dem Portal 135 aus 10 gekoppelt, um das erwärmte Gas nach oben durch das Ausstoßportal und dann durch den Formhohlraum und den Einlass fließen zu lassen, um das Pulvermetall wie oben beschrieben zu fluidisieren und zu erwärmen. Bei dieser alternativen Ausführungsform kann der Druckgenerator 225, falls gewünscht oder durchführbar, weggelassen werden, und das Pulvermetall wird durch Schwerkraft von dem Trichter oder einem ähnlichen Behälter 229 in den Einlass befördert, wo das Pulvermetall wie oben beschrieben fluidisiert und vorerhitzt wird.
Wie basierend auf den Lehren hierin für den Durchschnittsfachmann ersichtlich ist, können viele Änderungen und Moddifikationen an der oben beschriebenen und anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er durch die angehängten Ansprüche definiert ist, abzuweichen. Zum Beispiel kann die Arbeits- oder Verschleißoberfläche, wie etwa eine Werkzeugspitze oder Zähne, viele verschiedene Formen, Arten und Werkzeugtypen von Arbeits- oder Verschleißoberflächen annehmen, die gegenwärtig bekannt sind oder später bekannt werden. Ferner kann das Substrat aus vielen verschiedenen Materialien gebildet werden oder viele verschiedene Konfigurationen, Werkzeugtypen oder Formen annehmen, und die Verschleißoberflächen oder Arbeitsoberflächen können aus vielen verschiedenen Materialien gebildet werden, die gegenwärtig bekannt sind oder später bekannt werden. Zum Beispiel kann in einer Bandsägeblatt-Ausführungsform das Band eine Bimetallkonstruktion definieren, bei der jeder Zahn eine Schneidspitze definiert, die für eine verbesserte Verschleißfestigkeit und Schneidlebensdauer aus einem relativ harten Pulvermetall gebildet ist, wie etwa Schnellstahl, Carbid und/oder Cermet, und der Grundmaterialabschnitt des Bandes kann aus einem weniger harten Federstahl für verbesserte Zähigkeit und Widerstandsfähigkeit gebildet sein. Ferner sind viele der genauen Winkel, Abmessungen, Bereiche und anderen hier offenbarte detaillierten Merkmale nur beispielhaft und können wie gewünscht oder anderweitig benötigt geändert werden, um besondere Leistungseigenschaften zu erreichen oder anders die Anforderungen einer oder mehrerer Anwendungen zu erfüllen. Dementsprechend sollte diese detaillierte Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen in verdeutlichendem Sinne, und nicht in einem beschränkenden, verstanden werden.
Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung eines Werkzeugs mit einer Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver, dass die folgenden Schritte umfasst:

• Bereitstellen eines Werkzeugsubstrats
• Bewegen zumindest einer Formoberfläche in Eingriff mit dem Substrat und Bindung eines Formhohlraums, der im Wesentlichen zumindest einen Abschnitt des Substrats umschließt
• Einführen von Pulvermetall in Formhohlraum
• Erhitzen des Pulvermetalls
• Verdichten des Pulvermetalls und Bilden einer endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver innerhalb des Formhohlraums und verbunden mit dem Substrat
• Lösen der zumindest einen Formoberfläche von dem Substrat und Bilden einer verdichteten endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver auf dem Substrat

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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US 5091264 [0005]
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US 6601495 [0043]
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US 5603815 [0092]

Claims

Ein Verfahren zur Bildung eines Werkzeugs mit einer Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Werkzeugsubstrats; Bewegen zumindest einer Formoberfläche in Eingriff mit dem Substrat und Bildung eines Formhohlraums, der im Wesentlichen zumindest einen Abschnitt des Substrats umschließt; Einführen von Pulvermetall in den Formhohlraum; Erhitzen des Pulvermetalls; Verdichten des Pulvermetalls und Bilden einer endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver innerhalb des Formhohlraums und verbunden mit dem Substrat; und Lösen der zumindest einen Formoberfläche von dem Substrat und Bilden einer verdichteten endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver auf dem Substrat.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verdichtungsschritt eine Druckausübung auf das verdichtete Pulvermetall innerhalb des Formhohlraums umfasst, und ferner das Erhitzen zumindest einer Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem verdichteten Pulvermetall während der Druckausübung auf das verdichtete Pulvermetall innerhalb des Formhohlraums umfasst.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verdichtungsschritt das Bewegen zumindest eines von der mindestens einen Formoberfläche und dem Substrat auf das andere zu umfasst, um zumindest eines von dem Substrat und dem Pulvermetall in Eingriff mit dem anderen zu pressen, und in der Folge das verdichtete Pulvermetall innerhalb des Formhohlraums zu pressen.
Ein Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Verdichtungsschritt des Weiteren das Treiben des Substrats zumindest teilweise in den Formhohlraum und das Pressen des verdichteten Pulvermetalls innerhalb des Formhohlraums umfasst.
Ein Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zumindest eine Formoberfläche verformbar mit dem Substrat in Eingriff kommt.
Ein Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zumindest eine mit dem Substrat in Eingriff stehende Formoberfläche eine im Wesentlichen hermetische Abdichtung zwischen dem Formhohlraum und dem Substrat bildet.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Bilden einer Störung an einer Grenzfläche des Substrats und dem Pulvermetall umfasst, die mechanisch das Substrat und das Pulvermetall verriegelt.
Ein Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Störung durch zumindest eines von einem Vorsprung und einer Ausnehmung definiert ist, der/die auf dem Substrat an einer Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Pulvermetall gebildet ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 8, wobei zumindest eines von dem Vorsprung und der Ausnehmung im Wesentlichen schwalbenschwanzförmig ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Erhitzungsschritt zumindest eines der folgenden umfasst: (i) Vorerhitzen des Pulvermetalls vor dem Einführen in den Formhohlraum; (ii) Vorerhitzen und Fluidisieren des Pulvermetalls vor dem Einführen in den Formhohlraum; (iii) Erhitzen von zumindest einer Formoberfläche und, in der Folge, Erhitzen des verdichteten Pulvermetalls innerhalb des Formhohlraums; und (iv) Lösen der zumindest einen Formoberfläche von dem verdichteten Pulvermetall und Erhitzen des verdichteten Pulvermetalls.
Ein Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Erhitzungsschritt das Richten von Energie von zumindest einem von einer Laserquelle, einer RF-Quelle, einer Mikrowellenquelle, einer Plasmaquelle, einem Induktionsheizgerät und einer Elektronenstrahlquelle in zumindest einem von dem Pulvermetall und einem Abschnitt des Substrats, das die Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Pulvermetall bildet, umfasst.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verdichtungsschritt ferner umfasst: Bereitstellen von zumindest einer beweglichen Formoberfläche, Treiben der zumindest einen beweglichen Formoberfläche in Eingriff mit dem Pulvermetall innerhalb des Formhohlraums, und Pressen des Pulvermetalls innerhalb des Formhohlraums.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Einführschritt ferner umfasst, das Pulvermetall im Wesentlichen zu fluidisieren, um das Pulvermetall im Wesentlichen gleichmäßig im ganzen Formhohlraum zu verteilen.
Ein Verfahren nach Anspruch 13, das ferner das Fluidisieren des Pulvermetalls und das Vorerhitzen des fluidisierten Pulvers vor der Einführung in den Formhohlraum umfasst.
Ein Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Vorerhitzen umfasst: (i) Vorerhitzen des Pulvermetalls bis auf ungefähr 50 Prozent bis ungefähr 75 Prozent seiner Schmelztemperatur, und (ii) Vorerhitzen des Pulvermetalls bis auf ungefähr 50 Prozent bis auf ungefähr seine Schmelztemperatur.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Bereitstellen des Substrats in Form eines Sägeblatts, und Formen der Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver in eine endförmige oder endformnahe Schneidspitze des Sägeblatts.
Ein Verfahren nach Anspruch 16, das ferner das Bereitstellen des Pulvermetalls umfassend eine Mehrzahl von WC-Partikeln umfasst, die mit zumindest einem von Co und Ni beschichtet sind.
Eine Vorrichtung zur Bildung eines Werkzeugs mit einer Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver, umfassend: zumindest eine Formoberfläche, die in Eingriff mit einem Substrat des Werkzeugs beweglich ist und einen Formhohlraum bildet, der im Wesentlichen zumindest einen Abschnitt des Substrats umschließt; erste Mittel zum Einführen von Pulvermetall in den Formhohlraum; zweite Mittel zum Erhitzen des Pulvermetalls auf seine Sinter- oder Schmelztemperatur; dritte Mittel zum Verdichten des Pulvermetalls innerhalb des Formhohlraums und in Eingriff mit dem Substrat und zum Bilden einer endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver innerhalb des Formhohlraums und verbunden mit dem Substrat; und vierte Mittel zum Lösen der zumindest einen Formoberfläche von dem Substrat und Bilden einer verdichteten endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver auf dem Substrat.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das erste Mittel eine Pulvermetallzufuhreinheit ist; das zweite Mittel zumindest eines von einer Laserquelle, einer RF-Quelle, einer Mikrowellenquelle, einer Plasmaquelle, einem Induktionsheizgerät, einer Elektronenstrahlquelle und einer Plasma-/Argongasquelle ist; das dritte Mittel zumindest eines ist von (i) zumindest einer Oberfläche, die zumindest einen Abschnitt des in Eingriff mit dem Pulvermetall innerhalb des Formhohlraums beweglichen Formhohlraums bildet, und (ii) einer Antriebseinheit, um zumindest eines von dem Substrat und dem Formhohlraum auf das andere zu anzutreiben; und das vierte Mittel ist eine Antriebseinheit zum Antreiben der zumindest einen Formoberfläche und in der Folge, zum Lösen der zumindest einen Formoberfläche von der endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus Pulver.
Eine Vorrichtung zum Bilden eines Werkzeugs mit einer Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver, umfassend: zumindest eine Formoberfläche, die in Eingriff mit einem Substrat des Werkzeugs beweglich ist und einen Formhohlraum bildet, der im Wesentlichen zumindest einen Abschnitt des Substrats umschließt; eine mit dem Formhohlraum in Verbindung stehende Pulvermetallzufuhreinheit zum Einführen von Pulvermetall in den Formhohlraum; eine Energiequelle um zumindest eines aus dem Vorerhitzen des Pulvermetalls vor dem Einführen in den Formhohlraum, und dem Erhitzen des Pulvermetalls in dem Formhohlraum durchzuführen; zumindest eines von (i) zumindest einer Oberfläche, die zumindest einen Abschnitt des Formhohlraums bildet, der in Eingriff mit dem Pulvermetall in dem Formhohlraum beweglich ist, um das Pulvermetall innerhalb des Formhohlraums in Eingriff mit dem Substrat zu verdichten, und (ii) einer Antriebseinheit, um zumindest eines von dem Substrat und dem Formhohlraum auf das andere zu anzutreiben, um das Pulvermetall innerhalb des Formhohlraums in Eingriff mit dem Substrat zu verdichten, um eine endformnahe oder endförmige Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver innerhalb des Formhohlraums und verbunden mit dem Substrat zu bilden; und eine Antriebseinheit, die zumindest eine Formoberfläche bewegt, die zumindest eine Formoberfläche von der endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulvermetall von dem Substrat zu lösen und eine verdichtete endformnahe oder endförmige Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver auf dem Substrat zu bilden.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Energiequelle zumindest eine von einer Laserquelle, einer RF-Quelle, einer Mikrowellenquelle, einer Plasmaquelle, einem Induktionsheizgerät, einer Elektronenstrahlquelle und einer Plasma-/Gasquelle ist.
Ein Werkzeug mit einer Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulvermetall, wobei das Werkzeug gemäß einem Verfahren gebildet ist, dass die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Werkzeugsubstrats; Bewegen zumindest einer Formoberfläche in Eingriff mit dem Substrat und Bildung eines Formhohlraums, der im Wesentlichen zumindest einen Abschnitt des Substrats umschließt; Einführen von Pulvermetall in den Formhohlraum; zumindest eines von Vorerhitzen des Pulvermetalls vor dem Einführen des Pulvermetalls in den Formhohlraum, und Erhitzen des Pulvermetalls in dem Formhohlraum; Verdichten des Pulvermetalls innerhalb des Formhohlraums und in Eingriff mit dem Substrat und Bilden einer endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus Pulver innerhalb des Formhohlraums und verbunden mit dem Substrat; und Lösen der zumindest zwei Formoberflächen von dem Substrat und einer verdichteten endformnahen oder endförmigen Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver auf dem Substrat.
Ein Werkzeug mit einer Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulvermetall, umfassend: ein Substrat; und eine Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulvermetall, das eine endformnahe oder endförmige Form definiert, wobei das Pulvermetall eine Mehrzahl von technischen beschichteten Partikeln umfasst, die zumindest ein erstes Material umfassen, das mit zumindest einem zweiten Material beschichtet ist, wobei die Teile der Partikel aus dem zumindest einen zweiten Material metallurgisch miteinander verbunden sind und eine dichte Arbeitsoberfläche aus verdichtetem Pulver bilden.
Ein Werkzeug nach Anspruch 23, das ferner eine Störung an einer Grenzfläche des Substrats und dem Pulvermetall definiert, die eine mechanische Verriegelung zwischen dem Substrat und dem Pulvermetall bildet.
Ein Werkzeug nach Anspruch 24, wobei die Störung durch zumindest eines von einem Vorsprung und einer Ausnehmung definiert ist, der/die auf dem Substrat an einer Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Pulvermetall gebildet ist.
Ein Werkzeug nach Anspruch 24, wobei zumindest eines von dem Vorsprung und der Ausnehmung im Wesentlichen schwalbenschwanzförmig ist.
Ein Werkzeug nach Anspruch 22, wobei die Arbeitsoberfläche zumindest eines von den Schneidzähnen eines Sägeblattes, die Arbeitsoberfläche einer Backe eines verstellbaren Schraubenschlüssels und dem Kopf eines Schraubendrehers bildet.
Ein Werkzeug nach Anspruch 22, wobei das erste Material Wolframcarbid ist, und das zweite Material zumindest eines von Cobalt und Nickel ist.
Ein Werkzeug nach Anspruch 27, wobei das Werkzeug ein Sägeblatt ist und die Arbeitsoberfläche die Spitze zumindest eines Schneidezahns des Sägeblatts definiert.