DE19719203C2

DE19719203C2 - Sinterverfahren für aus Metall-Pulver, insbesondere aus Mehrkomponentensystemen auf Basis von Eisen-Pulver, gepreßte Formteile sowie zur Durchführung des Verfahrens geeigneter Sinterofen

Info

Publication number: DE19719203C2
Application number: DE19719203A
Authority: DE
Original assignee: Eisenmann Anlagenbau GmbH and Co KG
Current assignee: Eisenmann SE
Priority date: 1996-05-10
Filing date: 1997-05-09
Publication date: 2000-05-11
Anticipated expiration: 2017-05-10
Also published as: DE19719203A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sinterverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Sinterofen. Die Erfindung wird in der Industrie eingesetzt und vor rangig für das Festphasensintern von aus Metall-Pulver, insbesondere aus Mehrkomponentensystemen auf Basis von Eisen-Pulver gepreßten Formteilen verwendet.

Für das Sintern von aus besagtem Metall-Pulver gepreßtem Formteilen sind Verfahren und Öfen bekannt, bei denen die gepreßten Formteile nacheinander folgend einen Sinter bereich und einen mehrphasigen Kühlbereich durchlaufen sowie in der Aufheizzone des Sinterbereiches gleichzeitig das Entbindern bzw. Abdunsten erfolgt. Vorzugsweise wird ein sogenannter kontinuierlicher Prozeß angewandt. Der prinzipielle Aufbau dafür geeigneter Sinteröfen, wie Rollenherdsinterofen, Föderbandsinterofen oder Hubbalken ofen sind in Friedrich EISENKOLB, Einführung in die Werkstoffkunde, Band V, Pulvermetallurgie, VEB Verlag Technik Berlin, 1966, Seite 105 bis 107 aufgezeigt. Neben einer kammerartigen Gestaltung des Sinterofens sind zudem noch Mittei zur Beeinflussung der jeweiligen Atmosphären vorgesehen.

Zur Minderung des Verlustes von Prozeß- bzw. Schutzgas in den einzelnen Kammern des Sinterofens sind in einem Ofen nach der US 4,932,864 Abschnitte des dortigen Förderers als Schnellförderer nutzbar, so dass die Türen zwischen den einzelnen Kammern nur relativ kurzzeitig geöffnet werden müssen.

Abweichungen von den zu erreichenden Qualitäts- und Quan titätsparametern, wie Festigkeit, Härte in den Rand schichten und Zähigkeit im Innern der Formteile sowie Maßgenauigkeit, die durch im Fertigungsprozeß bis ein schließlich der Hochtemperaturphase (Sintern) auftretbare Störgrößen, wie Schwankungen in der metallurgischen Zusammensetzung der Formteile, Schwankungen beim Preß druck, ungewollte Temperaturschwankungen im Stearat- und Sinterbereich und ähnlichem, verursacht werden, können durch eine weitere Wärmebehandlung zumindest teilweise beseitigt werden. Die bei konventionellen Stählen übli chen Vergütungs-Verfahren sind im Prinzip auch bei Sin terstählen anwendbar, wobei die Besonderheiten pulverme tallurgischer Werkstoffe zu beachten sind, so daß durch eine geeignete Prozeßführung und Ofengestaltung diese Vergütung in den Sinterprozeß einbeziehbar ist.

So ist aus dem Artikel New Developments in Furnaces for Sintering P/M Parts von A. P. Grease, Jr., gehalten vor der Society of manufacturing Engineers, 1974 (Technical paper MF 74 618) bekannt, soeben gesinterte Formteile in einer anschließenden Austenitisierungs-Phase mit Kohlenstoff anzureichern, aus dieser Phase heraus das Formteil bis in die Martensitphase hinein schroff abzukühlen sowie an schließend mit Normalkühlung auf Raumtemperaturen weiter abzukühlen.

Weitere Verbesserungen bezüglich äußerer Festigkeit, innerer Zähigkeit sowie Maßhaltigkeit der gesinterten Formteile sind dadurch erzielbar, daß die besagte Schroffkühlung oberhalb der Martensitstartlinie Ms endet und vor dem Eintritt in die Normalkühlung eine Bainiti sierungsphase zwischengeschaltet wird.

Die Vorteile einer Austenit-Bainit-Umwandlung sind zumin dest aus Wolfgang Bergmann, Werkstofftechnik, Teil 1: Grundlagen Carl Hanser Verlag München Wien, 1984, S. 211, 218 und 219 sowie Wolfgang Bergmann, Werkstofftechnik, Teil 2: Anwendung, Carl Hanser Verlag München Wien, 1987, S. 206, 211, 233 und 234 und die technische Umsetzung beim Sintern aus dem Projektbericht COST 503 - Powder Metallurgy Subgroup 3-Ferrous Alloys, Annualprogress report: Januar 1987, der Chalmers Institut AB Technology, Göteborg, Schweden, Höganäs AB und dem Fraunhofer Institut Darmstadt bekannt.

Obwohl eine Vielzahl von Verfahren und Sinteröfen zur Herstellung besagter Formteile bekannt sind, besteht nach wie vor seitens der Anwendungsindustrie Bedarf an weite rer Verbesserung der bekannten Verfahren und Öfen, mit dem ziel der weiteren Fertigungszeit und Energieaufwands senkung, der Verbesserung des steuerbaren Einflusses auf die Qualitäts- und Quantitätsparameter der gesinterten Formteile sowie der Einsatzmöglichkeit von preiswerteren Eisen-Pulver-Mehrkomponentensystemen als Ausgangsstoffe für die zu sinternden Formteile.

Daher besteht die Aufgabe der Erfindung vor allem darin, bekannte Sinterverfahren so weiter zuentwickeln, daß die Qualitäts- und Quantitätsparameter der Formteile weiter verbessert werden können sowie der Zeit- bzw. Energieauf wand und/oder der gesamte verfahrens- und anlagentech nische Aufwand zumindest reduzierbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in dem Patentan spruch 1 angegebenen Verfahrensmaßnahmen die nachgeord neten Ansprüche 2 bis 4 zeigen Weiterbildungen des Verfahrens auf.

In den Ansprüchen 5 bis 8 werden bauliche Vorrichtungs- bzw. Ausgestaltungsmerkmale für einen Sinterofen angegeben, der zur Verfahrensdurchführung gut geeignet ist.

Die Erfinder haben erkannt, daß die anstehende Aufgabe durch eine Modifizierung der zum Gesamt-Sinterprozeß gehörenden Entbinderung, des Kühlprozesses sowie einer strengen Reinhaltung und Regelung der jeweiligen Zonen atmosphäre sinnvoll lösbar ist.

Die Erfindung geht daher von einem bekannten Sinterver fahren für aus Metall-Pulver, insbesondere aus Mehrkom ponentensystemen auf Basis von Eisen-Pulver gepreßte Form teile aus, bei dem die Formteile mittels eines Transport systems einen kammerartig ausgebildeten Sinterofen zum definierten Entbindern, Sintern oberhalb 1100°C und mehrstufigen Kühlen durchfahren, wobei die Transport geschwindigkeit der beförderten Formteile in den einzel nen Bereichen bzw. Zonen des Sinterofens sowie die jeweilige Atmosphäre in diesen einzelnen Zonen nebst den Temperaturen getrennt regelbar und unterschiedlich wählbar sind, und wobei die gesinterten, zu kühlenden Formteile in einem ersten Kühlbereich zuerst bei geringer Temperaturabsenkung K1 vergütet, also mit Kohlenstoff angereichert werden, anschließend bei großer Temperatur absenkung K2 eine Schroffkühlung, darauf folgend bei zu mindest annähernd gleichbleibendem Temperaturniveau K4 eine Haltezeit und abschließend bei gemäßigter Tempe raturabsenkung eine Endkühlung K5 erfahren und mit einer Temperatur von unter 100°C den Kühlbereich verlassen. Neuartig und erfinderisch beim Anmeldegegenstand ist nun die Kombination folgender Verfahrensschritte bzw. -Merkmale:

a) die Bereiche bzw. Zonen des Sinterofens sind gegeneinander abschottbar und werden jeweils mit speziellen, auf das Produkt bzw. den Verfahrens schritt bezogenen Reaktionsgasen/-gemischen versorgt;
b) die Entbinderung der gepreßten Formteile erfolgt separat und vor dem Aufheizen der Formteile für das Sintern und
c) bei der Schroffkühlung wird die Temperatur der Randschichten der Formteile bis kurz unter die Martensitstartlinie Ms gefahren und danach wieder bis in den Bereich der Zwischenstufengefügebil dung angehoben mit anschließender, produktbezoge ner Haltezeit bei annährend gleichbleibendem Temperaturniveau vor Eintritt in die Endkühlung.

Durch die voranstehenden neuen Verfahrensschritte werden äußerst feste Randschichten an den Formteilen erzeugt bei gleichzeitig sehr guten Zähigkeitswerten für die inneren Schichten der Formteile. Zudem tragen die nahezu absolute Trennung der Atmosphären, d. h. die Vermeidung des Ein dringens von Atmosphären in benachbarte Zonen des Sinter ofens, sowie die räumliche von dem Aufheizen separierte Entbinderung wesentlich zur Reinheit der jeweiligen Atmosphären als auch der Komponentenanteile der Formteile und zur Einhaltung enger Fertigungstoleranzen bei der Maßhaltigkeit sowie der Festigkeits- und Zähigkeitswerte bei.

Zudem ist neben der Regelbarkeit der Temperatur der jeweiligen Atmosphäre auch eine Regelung nach der Objekt- (Formteil)-temperatur möglich.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Geschwindigkeit der Temperaturabsenkung in der Schroffkühlzone bis 6 K/s beträgt und jene in der Endkühlzone geringer, vorzugs weise wesentlich geringer, als die Geschwindigkeit der Temperaturabsenkung in der Schroffkühlzone gewählt wird, z. B. 0,01 bis 0,9 K/s.

Weiterbildungen des neuen Sinterverfahrens bestehen nun noch darin, daß zumindest die Hochtemperaturzone des Sinterbereiches verlassende, gebrannte Formteile mit hoher Geschwindigkeit zumindest zu der ersten Kühlzone, der Übergangszone, hin transportiert werden. Oder darin, daß die Formteile vor dem Eintritt in die jeweils nächste abschottbare Zone des Sinterofens wahlweise einer Spülatmosphäre ausgesetzt werden.

Der Aufbau des für das neue Sinterverfahren geeigneten Sinterofens wird folgend anhand eines in Zeichnungen schematisiert dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Soweit die grundlegend neuen Verfahrensmerkmale der Erfindung voranstehend noch nicht erläutert wurden, werden diese hier mit angeführt.

Dabei zeigen die Zeichnungen in weitestgehend schemati scher Darstellung in der:

Fig. 1 ein Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramm, mit dem Verlauf von zwei beispielhaften Abkühl kurven nach dem neuen Sinterverfahren;

Fig. 2 einen geeigneten Sinterofen in einer Seitenansicht;

Fig. 3 den Sinterofen nach Fig. 2 in einer Draufsicht und

Fig. 4 ein Detail des Sinterofens, eine zwischenschaltbare Schleuse.

Die Fig. 2 zeigt einen Sinterofen für aus Metall-Pulver, insbesondere aus Mehrkomponentensystemen auf Basis von Eisen-Pulver gepreßte Formteile F, der besonders zur Durchführung des neuen Sinterverfahrens geeignet ist. Dieser Sinterofen 1 enthält, in Förderrichtung R gesehen, nacheinander folgend mindestens einen Sinterbereich 2, mit Aufheizzone 2a und Hochtemperaturzone 2b, und einen Kühlbereich 4, mit einer Übergangszone 4a, einer Schroff kühlzone 4b, einer Haltezone 4c und einer Endkühlzone 4d, die kammerartig ausgebildet sind. Dem Sinterofen 1 sind zudem ein Transportsystem T, mit einzelnen, den Bereichen des Sinterofens 1 bzw. deren Zonen zugeordneten, jeweils separat antreib- und regelbaren Förderern T2-T9 sowie Heiz-, Kühl- und Steuerungs-/Regelungsmittel beigeordnet. Neuartig ist hier nun die kombinatorische Anordnung fol gender Vorrichtungsmerkmale:

- der Aufheizzone 2a des Sinterbereiches 2 ist ein zusätzlicher abschottbarer Stearatbereich 3 vorgeordnet;
- der Sinterofen 1 besteht aus mehreren Modulen, wobei mindestens jeder Bereich 2, 3 und 4 vorzugsweise ein Modul bildet und
- zur Abschottung der Bereiche 2, 3 und 4 bzw. der Zonen 3/2a; 2b/4a; 4a/4b; 4b/4c und 4c/4d voneinander ist zwischen den besagten Modulen jeweils eine zwei mechanische Tore 6 aufweisende Schleuse 7 angeordnet, wobei die Tore 6 in je einem stirnseitigen Schacht 5 des Moduls 7 angeordnet und vorzugsweise vertikal bewegbar sind und wobei jeder Schleuse 7 ein ebenfalls separat ansteuer- und regelbarer Förderer T7 zugeordnet ist.

Im Detail ist die Schleuse 7 in der Fig. 4 gezeigt und dort zwischen der Hochtemperaturzone 2b und der ersten Kühlzone, der Übergangszone 4a angeordnet.

Wie die Fig. 2 zeigt sind außerdem vorzugsweise weitere Schleusen 7 zwischen den Modulen Stearatbereich 3 und der Aufheizzone 2a, der Übergangszone 4a und der Schnellkühl zone 4b, zwischen der Schnellkühlzone 4b und der Halte zone 4c sowie zwischen der Haltezone 4c und der Endkühl zone 4d vorgesehen.

An dem Ein- und dem Auslaßbereich 8 bzw. 9 sowie zur Endkühlzone 4d hin und zwischen der Aufheizzone 2a und der Hochtemperaturzone 2b sind hier einfache Tore 6 angeordnet, die jedoch bei Bedarf durch Schleusen 7 ersetzbar sind.

In spezieller Weiterbildung ist nun noch vorgesehen, daß mindestens an der zwischen der Hochtemperatur zone 2b und dem Übergangsbereich 4a angeordneten Schleuse 7 Mittel zum Ein- und Auslaß von Spülatmosphäre vorgesehen sind.

Außerdem kann es unter Umständen von Vorteil sein, bei dem in Modulbauweise gebauten Sinterofen 1 ggf. mehrere, zumindest zwei Ofenzonen, zu einem System-Modul, z. B. einem Kühl-Modul, zu verbinden.

In der Fig. 1 ist ein Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramm, mit dem Verlauf von zwei beispielhaften Abkühlkurven nach dem neuen Sinterverfahren gezeigt. Wobei die Kurvenabschnit te K1 den Temperaturverlauf in der Übergangszone 4a, der Austenitisierungsphase mit eventueller Aufkohlung, die Kurvenabschnitte K2 den Temperaturverlauf während der Schroffkühlung 4b, die Kurvenabschnitte K3 das Eintauchen in die Martensitphase M kurz unter die Martensitstart linie Ms, die Kurvenabschnitte K4 das Wiederhochfahren in den Zwischenstufengefügebildungsbereich Zw nebst Haltezeit 4c und -temperaturverlauf und die Kurvenabschnitte K5 den Temperaturverlauf während der normalen Endkühlung 4d darstellen.

Aufgrund der veränderbaren metallurgischen Zusammen setzung der Formteile F (z. B. verschiedene Produktions chargen) können die Temperatur, die Temperaturgradienten, die Transportgeschwindigkeit, die Haltezeit u. a. jeweils innerhalb von Bereichen schwanken, dadurch kann der jeweilige Kurvenverlauf von den beiden in der Fig. 1 gezeigten Kurven abweichen, der eingangs beschriebene erfinderische Grundgedanke, das kurzzeitige Unterfahren der Martensitstarlinie Ms, wird aber in jedem Fall angewandt.

BEZUGSZIFFERNVERZEICHNIS

1

Sinterofen

2

Sinterbereich

2

a Aufheizzone

2

b Hochtemperaturzone

3

Stearatbereich

4

Kühlbereich

4

a Übergangszone

4

b Schroffkühlzone

4

c Haltezone

4

d Endkühlzone

5

Schächte

6

mechanische Tore

7

Schleusen

8

Einlaßbereich

9

Auslaßbereich

10

,

10

' Heizelemente
R Förderrichtung
T Transportsystem
T2-T9 Förderer, vorzugsweise Rollenförderer mit jeweils separatem Antrieb und Antriebsregelung
F Formteile
K1, ... K5 Abschnitte der Abkühlkurve

Claims

1. Sinterverfahren für aus Metall-Pulver, insbesondere aus Mehrkomponentensystemen auf Basis von Eisen-Pulver gepreßte Formteile (F), bei dem die Formteile (F) mittels eines Transportsystems (T-T9) einen kammerartig ausgebildeten Sinterofen (1) zum definierten Entbindern und Sintern oberhalb 1100°C sowie mehrstufigen Kühlen durchfahren, wobei die Transportgeschwindigkeit der beförderten Formteile in den einzelnen Bereichen des Sinterofens (1) und in deren Zonen sowie die jeweilige Atmosphäre in diesen einzelnen Zonen nebst den Temperaturen getrennt regelbar und unterschiedlich wählbar sind, und wobei die gesinterten, zu kühlenden Formteile (F) im Kühlbereich (4) zuerst bei geringer Temperaturabsenkung (K1) mit Kohlenstoff angereichert werden, anschließend bei großer Temperaturabsenkung (K2) eine Schroffkühlung, darauf folgend bei zumindest annähernd gleichbleibendem Temperaturniveau (K4) eine Haltezeit und abschließend bei gemäßigter Temperaturabsenkung eine Endkühlung (K5) erfahren und mit einer Temperatur von unter 100°C den Kühlbereich (4, 4d) verlassen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensmerkmale:

a) die Bereiche des Sinterofens (1) oder deren Zonen sind gegeneinander abschottbar und werden jeweils mit speziellen, auf das Produkt oder den Verfahrensschritt bezogenen Reaktions-Gasen/-gemischen versorgt;
b) die Entbinderung der gepreßten Formteile (F) erfolgt im Sinterofen separat und vor dem Aufheizen der Form teile (F) für das Sintern und
c) bei der Schroffkühlung (K2) wird die Temperatur der Randschichten der Formteile (F) kurzzeitig bis unter die Martensitstartlinie (Ms) gefahren und danach wieder bis in den Bereich der Zwischenstufengefügebildung angehoben mit anschließender, produktbezogener Haltezeit (K4) bei annähernd gleichbleibendem Temperaturniveau vor Eintritt in die normale Endkühlung.

2. Sinterverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Sinterbereich (3) verlassenden, gebrannten Formteile (F) mit hoher Geschwindigkeit zumindest zu einer Übergangszone (4a) des Kühlbereiches (4) hintransportiert werden.

3. Sinterverfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Temperaturabsenkung (K2) in der Schroffkühlzone (4b) bis 6 K/s beträgt und in der Endkühlzone (4d) geringer als die Geschwindigkeit der Temperaturabsenkung in der Schroffkühlzone (4b) gewählt wird.

4. Sinterverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Formteile (F) vor dem Eintritt in die jeweils nächste abschottbare Zone des Sinterofens (1) wahlweise einer Spülatmosphäre ausgesetzt werden.

5. Sinterofen für aus Metall-Pulver, insbesondere aus Mehrkomponentensystemen auf Basis von Eisen-Pulver gepreßte Formteile (F), einsetzbar zur Durchführung eines Sinterverfahrens nach einem der voranstehenden Verfahrensansprüche 1 bis 4, der in Förderrichtung (R) nacheinander folgend mindestens

1. 5.1 leinen Sinterbereich (2), mit Aufheizzone (2a) und Hochtemperaturzone (2b), und
2. 5.2 einen Kühlbereich (4), mit einer Übergangszone (4a), einer Schroffkühlzone (4b), einer Haltezone (4c) und einer Endkühlzone (4d), aufweist, die kammerartig ausgebildet sind,
3. 5.3 dem ein Transportsystem (T), mit einzelnen, den Be reichen oder deren Zonen zugeordneten, jeweils sepa rat antreib- und regelbaren Förderern (T2 bis T9),
4. 5.4 sowie Heiz-, Kühl- und Steuerungs-/Regelungsmittel, beigeordnet sind,

der durch die kombinatorische Anordnung folgender Merkmale gekennzeichnet ist:

1. 5.5 der Aufheizzone (2a) des Sinterbereiches (2) ist ein zusätzlicher abschottbarer Stearatbereich (3) vorgeordnet
2. 5.6 der Sinterofen (1) besteht aus mehreren Modulen, wobei mindestens jeder Bereich (2, 3 und 4) ein Modul bildet und
3. 5.7 zur Abschottung der Bereiche (2, 3 und 4) oder der Zonen (3/2a; 2b/4a; 4a/4b; 4b/4c und 4c/4d) voneinander, ist zwischen den besagten Modulen jeweils eine zwei mechanische Tore (6) aufweisende Schleuse (7) angeordnet, wobei die Tore (6) in je einem stirnseitigen Schacht (5) des Moduls (7) angeordnet sind und wobei jeder Schleuse (7) ein ebenfalls ansteuer- und regelbarer Förderer (T7) zugeordnet ist.

6. Sinterofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem in Modulbauweise gebauten Sinterofen (1) mehrere, zumindest zwei Ofenzonen, zu einem System modul verbunden sind.

7. Sinterofen nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens an der zwischen der Hochtemperaturzone (2b) und dem Übergangsbereich (4a) angeordneten Schleuse (7) Mittel zum Ein- und Auslaß von Spülatmosphäre vorgesehen sind.

8. Sinterofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tore (6) vertikal bewegbar sind.