DE19521941C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Sinterteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sinterteilen mit hoher Verschleißfestigkeit und gleichzeitig guten dynamischen Festigkeitseigenschaften aus gepreßten Formkörpern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Mechanisch hochbeanspruchte Bauteile aus Stahl wie etwa Getriebezahnräder müssen nicht nur eine hohe Maßgenauigkeit aufweisen, sondern müssen darüber hinaus insbesondere auch sehr gute dynamische Festigkeitseigenschaften und gleichzeitig eine hohe Verschleißfestigkeit zeigen. Die Herstellung derartiger Teile durch zerspanende Fertigungsverfahren mit anschließender Einsatzhärtung erschien lange Zeit als einzig gangbarer Weg. Zur Reduzierung des Formgebungsaufwandes ist es jedoch auch möglich, pulvermetallurgische Verfahren anzuwenden. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, aus einem diffusionslegierten ölhärtenden Stahlpulver, dem Graphit in der dem gewünschten C-Gehalt entsprechenden Menge sowie übliche Schmiermittel zugesetzt wurden, entsprechende Preßkörper als Grünlinge zu formen, diese im Durchlaufverfahren in einem Ofen zu sintern und anschließend auf Raumtemperatur abzukühlen. Zur Verbesserung der Maßgenauigkeit erfolgt anschließend auf einer Kalibrierpresse ein erneuter Preßvorgang. Anschließend wird eine Einsatzhärtung mit Abschreckung in Öl vorgenommen, dem sich eine Anlaßbehandlung anschließt. Die so hergestellten Bauteile zeigen ein typisches Anlaßgefüge.

Ein solches Herstellverfahren liefert Bauteile mit guten statischen (Zugfestigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit) und gleichzeitig auch guten dynamischen Festigkeitseigenschaften. Trotz des Aufwandes der durch einen zweiten Preßvorgang (Kalibrierung) getrieben wird, läßt dennoch die Maßgenauigkeit und deren Gleichmäßigkeit gelegentlich Wünsche offen: Die erreichbare Toleranzklasse beträgt etwa IT10.

Weiterhin ist es bekannt, Sinterteile aus Preßkörpern herzustellen, die aus fertiglegierten, lufthärtenden Stahlpulvern gepreßt wurden. Hierbei wird durch Abkühlung an Luft bis unter die Martensitstarttemperatur ein martensitisches Gefüge erzeugt. Derartige Sinterteile zeigen wegen ihrer hohen Härte zwar gute Verschleißeigenschaften, sind jedoch aufgrund der niedrigen Bruchdehnung für dynamische Beanspruchungsarten, wie sie bei Zahnrädern regelmäßig auftreten, ungeeignet. Auch im Hinblick auf die erreichbare Maßgenauigkeit (Toleranzklasse IT9) können derartig hergestellte Sinterteile vielfach nicht befriedigen.

Schließlich ist es aus der DE 40 01 899 C1 bekannt, daß zur Herstellung hoch fester Sinterteile Grünlinge aus fertiglegiertem Stahlpulver mit einem in Form von Graphitpulver zugesetzten Massenanteil vom 0,3 bis 0,7% Kohlenstoff gepreßt, bei einer Temperatur im Bereich von 1120 bis 1280°C gesintert, durch Abkühlung gehärtet und anschließend angelassen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so zu modifizieren, daß bei Gewährleistung guter dynamischer Festigkeitseigenschaften und gleichzeitig guten Verschleißeigenschaften eine deutlich verbesserte Maßhaltigkeit (engere Fertigungstoleranzen) erreicht wird, wobei der verfahrensmäßige und der anlagentechnische Aufwand möglichst gering bleiben sollen. Außerdem soll eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens angegeben werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 8. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Merkmale des Patentanspruchs 9 auf und ist in vorteilhafter Weise durch die in den Unteransprüchen 10 bis 12 angegebenen Merkmale weiter ausgestaltbar.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines ZTU-Schaubildes und

Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen eines Sinterofens zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Erfindung geht davon aus, daß zur Herstellung der Sinterteile ein an sich bekanntes Vergütungsstahlpulver verwendet wird, das aus einem fertiglegierten Stahl hergestellt ist, also (mit Ausnahme des C-Gehalts) eine gleichmäßige Verteilung der Legierungsbestandteile aufweist. Letzteres muß also nicht erst durch entsprechend zeitlich ausgedehnte Diffusionsvorgänge während des Sinterns angestrebt werden. Die bisher erforderliche separate Wärmebehandlung der Sinterteile nach dem Sintern zur Einstellung der guten dynamischen Festigkeitseigenschaften bei gleichzeitig hoher Verschleißfestigkeit entfällt. Die Einstellung dieser Eigenschaften wird vielmehr im Zuge der Sinterbehandlung direkt durchgeführt. Hierfür ist es wesentlich, daß das eingesetzte Stahlpulver aus einem lufthärtenden Werkstoff besteht. Dadurch kann auf den Einsatz eines aus Umweltschutzgründen ohnehin unerwünschten Ölbades zur Erzielung eines Abschreckeffektes verzichtet werden.

Der Kohlenstoffgehalt der Sinterteile wird in üblicher Weise separat in Form von Graphit zugesetzt, damit das Stahlpulver zur Gewährleistung einer ausreichenden Verpreßbarkeit weich genug bleibt. Während des Sinterprozesses diffundiert der Graphit in die sich untereinander verbindenden Pulverpartikel hinein.

Die Erfindung sieht vor, wie Fig. 1 schematisch zeigt im unmittelbaren Anschluß an das Sintern (Abschnitt a) die Sinterteile von der Sintertemperatur bis auf eine erste Haltetemperatur abzukühlen, die in einer Temperaturspanne von Ar₃ bis maximal 150°C oberhalb Ar₃ liegt. Die Abkühlung (Abschnitt b) von der Sintertemperatur auf die erste Haltetemperatur erfolgt zweckmäßig mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 0,5-1,5°C/s. Die Sinterteile werden für etwa 5-25 min (erste Haltezeit, Abschnitt c) auf der ersten Haltetemperatur gehalten. Dadurch wird eine kleinere Austenitkorngröße erreicht.

In der Austenitisierungsphase (Abschnitt c) empfiehlt es sich, das C-Potential in der Schutzgasatmosphäre, die während des Sintervorgangs aufrechterhalten werden muß, ein erhöhtes, eine Aufkohlung bewirkendes C-Potential einzustellen. Hierdurch werden die Sinterteile in der äußeren Oberfläche mit Kohlenstoff angereichert, so daß im Oberflächenbereich eine besonders hohe Härte erreichbar ist. Dies ist für eine gute Verschleißfestigkeit von großer Bedeutung. Im Inneren der Sinterteile bleibt dagegen ein niedrigerer Kohlenstoffgehalt erhalten und führt zu besonders guten dynamischen Festigkeitseigenschaften (Härteprofil). Besonders vorteilhaft ist es, die erste Haltetemperatur in einem Bereich von maximal 50-100°C oberhalb Ar₃ zu wählen. Eine zweckmäßige Dauer der ersten Haltezeit beträgt 10-20 min.

Im unmittelbaren Anschluß an die erste Haltezeit erfolgt durch eine konvektive Gaskühlung eine beschleunigte Abkühlung (Abschnitt d) bis auf eine zweite Haltetemperatur. Hierfür empfiehlt sich eine Abkühlgeschwindigkeit im Bereich von 3-6°C/s. Diese zweite Haltetemperatur ist anhand des zum jeweiligen Werkstoff gehörigen ZTU-Schaubilds so ausgewählt, daß das Gebiet der Ferritbildung gemieden wird und sich ein bainitisches Gefüge auszubilden beginnt. Die Haltezeit auf dieser zweiten Haltetemperatur (Abschnitt e) wird mindestens so lange ausgedehnt, bis sich ein Gefügeanteil des Bainits von mindestens 50% eingestellt hat. Eine vollständige Umwandlung des Gefüges in Bainit ist jedoch im allgemeinen nicht erwünscht. Bei maximal 95% Bainit sollte das Halten auf der zweiten Haltetemperatur zweckmäßigerweise spätestens beendet werden. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Anteil des Bainit in einer Größenordnung von 60-80% erwiesen. Anschließend werden die Sinterteile in üblicher Weise bis auf Raumtemperatur abgekühlt (Normalkühlung, Abschnitt f).

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise eine besonders gute Teilequalität gewährleistet wird. Es ergibt sich nämlich nicht nur eine vergleichsweise hohe Maßgenauigkeit, sondern die auftretenden Toleranzen liegen bedeutend enger als bei der herkömmlichen Herstellungsweise. Anstelle der bisher bei Ölhärtung und Vergütung erreichbaren Güteklasse IT10 läßt sich nun die Güteklasse IT8 erreichen. Dies ist um so überraschender, als sogar auf die Durchführung eines separaten Kalibriervorgangs vollständig verzichtet werden kann. Dadurch wird ein kompletter aufwendiger Arbeitsschritt eingespart. Weiterhin erübrigt sich der Energie- und Handhabungsaufwand für ein separates Wärmebehandlungsverfahren.

In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, die als elektronisch gesteuerter Durchlauf-Sinterofen ausgebildet ist, in ihrer einfachsten Form schematisch dargestellt. Durch einen Pfeil an der linken Seite ist angedeutet, daß die Sinterteile in eine erste Zone eingeführt werden, die als Aufheizzone fungiert und in der die in den Grünlingen enthaltenen Schmierstoffe (z. B. Wachse) ausgedampft werden. Diese erste Zone wird daher auch als Entwachszone 1 bezeichnet. Unmittelbar anschließend in Transportrichtung ist die eigentliche Sinterzone 2 angeordnet, in der die Sinterteile auf Sintertemperatur (mindestens 1000°C) über eine ausreichend lange Zeit gehalten werden. Da die Sinterteile mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit durch die gesamte Anlage bewegt werden, weist die Sinterzone 2 eine entsprechende Länge auf. Um eine Oxidation der Sinterteile zu vermeiden, wird in der gesamten Anlage eine sauerstofffreie Atmosphäre (Schutzgasatmosphäre) aufrechterhalten. Unmittelbar an die Sinterzone 2 schließt sich eine Austenitisierungszone 3 an, in der die Sinterteile zunächst abgekühlt und auf Austenitisierungstemperatur gehalten werden. Danach folgt eine Schroffkühlzone 4, die mit einer entsprechenden (nicht dargestellten) Gasdusche ausgestattet ist, um eine ausreichend intensive konvektive Gaskühlung zu bewirken. Sobald die Sinterteile die zweite Haltetemperatur erreicht haben, treten sie in die Bainitisierungszone 7 ein und werden über eine zweite Haltezeit ausreichend lange auf dieser Temperatur gehalten, damit sich ein mindestens 50% betragender Bainit-Anteil im Gefüge ausbilden kann. Hierzu weist die Bainitisierungszone 7 eine entsprechende Länge auf. Nach ausreichender Bainitisierungszeit, möglichst vor Erreichen eines 95%-Anteils, treten die Sinterteile in eine abschließende Normalkühlzone 5 ein, wo sie von der Bainitisierungstemperatur bis in die Nähe der Raumtemperatur abgekühlt werden.

In Fig. 3 ist das Schema einer gegenüber Fig. 2 abgewandelten Anlage dargestellt, die sich dadurch unterscheidet, daß die in die Vorrichtung eingesetzten Grünlinge wahlweise zwei unterschiedliche Wege durchlaufen können. Die Anordnung von der Entwachszone 1 bis zur Schroffkühlzone 4 stimmt mit der in Fig. 1 dargestellten vollständig überein. Hinter der Schroffkühlzone 4 kann die Materialflußrichtung wahlweise eingestellt werden. Entweder treten die erzeugten Sinterteile unmittelbar in eine separate Normalkühlzone 5a ein und können die Anlage als "normal" gesinterte, also als in nicht erfindungsgemäßer Weise hergestellte Teile verlassen; oder sie werden für die erfindungsgemäße Verfahrens folge nach Verlassen der Schroffkühlzone 4 über eine wahlweise zuschaltbare Quertransporteinrichtung 6, wie dies durch die eingezeichneten Pfeile angedeutet ist, in eine parallel zum ersten Teil der gesamten Vorrichtung angeordnete Bainitisierungszone 7 eingeführt.

Zweckmäßigerweise ist die Transportrichtung hier entgegengesetzt zum ersten Teil der Vorrichtung. Anschließend folgt wiederum eine Normalkühlzone 5b, in der die erfindungsgemäß behandelten Teile auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Diese abgewandelte Vorrichtung weist also zwei Normalkühlzonen auf. Damit bietet eine solche Anlage eine besondere Flexibilität im Hinblick auf das zu verarbeitende Produktspektrum. Selbstverständlich wäre es möglich, die Bainitisierungszone 7 und die zweite Normalkühlzone 5b um 180° verdreht anzuordnen, also die ursprüngliche Materialflußrichtung beizubehalten. Ebenso wäre es ohne weiteres möglich, die Anordnung der Normalkühlzone 5a und des aus der Bainitisierungszone 7 und der Normalkühlzone 5b gebildeten Anlagenstrangs miteinander zu vertauschen. Die dargestellte Ausführungsform weist jedoch den Vorteil auf, daß sie eine vergleichsweise kurze Baulänge hat.

Die Wirksamkeit der Erfindung wird anhand der nachfolgenden beiden Beispiele näher erläutert.

Vergleichsbeispiel

Aus einem fertiglegierten Stahlpulver mit der Zusammensetzung Fe-4 Ni-0,5 Mo, dem elementar 1% Cu, 0,6% Graphit und übliche Schmiermittel zugesetzt wurden, wurden Preßkörper mit einer Dichte von 6,80-6,90 g/cm³ hergestellt. Die Teile wurden bei einer Temperatur von 1150°C während einer Dauer von 30 min gesintert. Dabei wurde eine aus Endogas bestehende Schutzgasatmosphäre mit kontrolliertem C- Potential aufrechterhalten. Nach konvektiver Gaskühlung der Teile (Abkühlgeschwindigkeit 3-6°C/s) unter die Martensitstarttemperatur und anschließende Normalkühlung bis auf Raumtemperatur wurden folgende Eigenschaften ermittelt:

Zugfestigkeit
650 N/mm²
Härteniveau	550-700 HV1
Bruchdehnung A3	0,3-0,6%

Die Maßhaltigkeit entsprach der Toleranzklasse IT9.

Erfindungsgemäßes Beispiel

Aus einem fertiglegierten Stahlpulver der Zusammensetzung Fe-4 Ni-0,5 Mo, dem 1% Cu und 0,6% Graphit sowie übliche Schmiermittel zugesetzt wurden, wurden gleichartige Preßkörper wie im vorhergehenden Beispiel erzeugt. Die Sinterung wurde bei einer Temperatur von 1120°C über eine Dauer von 30 min in einer Endogasatmosphäre mit kontrolliertem C-Potential durchgeführt. Nach der Austenitisierung erfolgte eine Schroffkühlung mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 3°C/s sowie die erfindungsgemäße Bainitisierung und eine anschließende normale Abkühlung bis auf Raumtemperatur. Dabei stellte sich in den Bauteilen ein bainitisches Gefüge mit folgenden Eigenschaften ein:

Zugfestigkeit
750-800 N/mm²
Härteniveau	350-450 HV1
Bruchdehnung A3	bis 6%

Die Maßgenauigkeit der erfindungsgemäß hergestellten Teile war außerdem signifikant besser. Sie entsprach der Toleranzklasse IT8.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich bei Bauteilen im Sinterzustand gleichzeitig hohe Zähigkeiten mit hohen Festigkeiten kombinieren, die sonst auch mit einer separaten Wärmebehandlung nicht erreicht werden können, wobei eine deutlich verbesserte Maßtoleranz gewährleistet werden kann.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung von Sinterteilen mit hoher Verschleißfestigkeit und guten dynamischen Festigkeitseigenschaften aus Formkörpern, die als Grünlinge aus einem fertiglegierten lufthärtenden Vergütungsstahlpulver mit einem in Form von Graphit zugesetzten Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,3% gepreßt worden sind, durch Sintern unter Schutzgas bei einer Sintertemperatur von mindestens 1000°C und nachfolgende Abkühlung, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Sinterteile unmittelbar im Anschluß an das Sintern von der Sintertemperatur auf eine erste Haltetemperatur im Bereich von Ar₃ bis maximal 150°C oberhalb Ar₃ abgekühlt und über eine erste Haltezeit von 5-25 min auf dieser Temperatur gehalten werden (Austenitisierungsphase),
• - daß die Sinterteile unmittelbar anschließend durch eine konvektive Gaskühlung beschleunigt bis auf eine zweite Haltetemperatur abgekühlt und über eine zweite Haltezeit auf dieser Temperatur gehalten werden, wobei die zweite Haltetemperatur in einem Temperaturbereich liegt, in dem sich ein Bainit-Gefüge ausbildet, und die zweite Haltezeit so bemessen wird, daß sich ein Gefügeanteil des Bainit von mindestens 50% einstellt, und
• - daß die Sinterteile danach auf Raumtemperatur abgekühlt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Haltetemperatur maximal 50-100°C oberhalb Ar₃ liegt.

3. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Haltezeit 10-20 min beträgt.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konvektive Gaskühlung mit 3-6°C/s erfolgt.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung auf die erste Haltetemperatur mit 0,5-1,5°C/s erfolgt.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Haltezeit nach oben so begrenzt wird, daß der Gefügeanteil des Bainit höchstens 95% beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Haltezeit so bemessen wird, daß der Gefügeanteil des Bainit 60-80% beträgt.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasatmosphäre in der Austenitisierungsphase auf ein eine Aufkühlung der Sinterteile bewirkendes C-Potential eingestellt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, enthaltend einen als Durchlaufaggregat ausgebildeten, elektronisch gesteuerten Sinterofen mit einer Sinterzone (2), einer hinter der Sinterzone (2) angeordneten Schroffkühlzone (4) mit Gaskühlung und mit einer hinter der Schroffkühlzone (4) angeordneten Normalkühlzone (5), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Sinterzone (2) und der Schroffkühlzone (4) eine Austenitisierungszone (3) angeordnet ist und daß zwischen der Schroffkühlzone (4) und der Normalkühlzone (5, 5b) eine Bainitisierungszone (7) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Normalkühlzonen (5a, 5b) vorgesehen sind, die materialflußtechnisch parallel zueinander angeordnet sind, wobei eine der beiden Normalkühlzonen (5b) über eine Quertransporteinrichtung (6) beschickbar ist und die andere Normalkühlzone (5a) zur wahlweisen Umgehung der Bainitisierungszone (7) unmittelbar an die Schroffkühlzone (4) angeschlossen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Quertransporteinrichtung (6) zwischen der Schroffkühlzone (4) und der Bainitisierungszone (7) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Normalkühlzone (5b) und die Bainitisierungszone (7) eine zur Transportrichtung der Sinterzone (2), der Austenitisierungszone (3) und der Schroffkühlzone (4) entgegengesetzte parallele Transportrichtung aufweisen.