DE19752993A1 - Verfahren zur Herstellung von sinterbaren metallischen Formteilen aus einem Metallpulver - Google Patents

Description

Bei der Herstellung von metallischen Formteilen im sogenann­ ten pulvermetallurgischen Verfahren besteht eine Schwierig­ keit darin, die Formteile mit einer möglichst hohen Dichte herzustellen, da die metallischen Pulver zunächst in eine Preßmatrize eingefüllt werden und dann über ein ein- oder mehrachsiges Pressen mittels hydraulischer oder mechanischer Pressen mit hohem Druck verdichtet werden müssen. Der hier­ durch gewonnene, allgemein als Grünling bezeichnete Formkör­ per wird anschließend in einem thermischen Verfahren meist unter Schutzatmosphäre gesintert, so daß sich ein festes und auch formgenaues metallisches Formteil ergibt.

Die Dichte des fertigen gesinterten Formteils hängt hierbei im wesentlichen von der erreichten Gründichte ab, wobei an­ ders als beim Verpressen von keramischen Pulvern die Metall­ pulverpartikel aufgrund ihrer anderen geometrischen Struktur und der damit verbundenen Anzahl beweglicher Gitterbaufehler eine plastische Verformung erfahren. Aufgrund der Teilchen­ geometrie ist, ebenfalls anders als bei keramischen Pulvern, bei metallischen Pulvern die Gleitfähigkeit der einzelnen Pulverteilchen gegeneinander reduziert, so daß schon die lose Schüttung in der Preßform ein Porenvolumen aufweist, das beim Pressen nur unter Aufwendung sehr hoher Preßdrücke nahezu vollständig beseitigt werden kann. Hohe Preßdrücke haben je­ doch einen hohen Verschleiß am Preßwerkzeug beim Verdich­ tungsvorgang zur Folge und führen auch zu einer erhöhten Aus­ stoßgleitreibung des fertigen Grünlings in der Preßmatrize, so daß hier ebenfalls auch höhere Ausstoßkräfte mit entspre­ chend erhöhtem Verschleiß aufzubringen sind. Hohe Ausstoß­ kräfte bergen jedoch die Gefahr einer unerwünschten lokalen Nachverdichtung und der Rißbildung des Grünlings in sich.

Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde in EP-A-0 375 627 ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem das zu verpressende Metall­ pulver mit einem durch ein flüssiges Lösungsmittel verflüs­ sigtes Schmiermittel versetzt wird. Als Schmiermittel werden hierzu Metallstearate, insbesondere Lithium- oder Zinksteara­ te sowie Paraffine, Wachse, natürliche oder synthetische Fettderivate vorgeschlagen, die beispielsweise mit organi­ schen Paraffinlösungsmitteln als flüssigem Lösungsmittel zu­ nächst verflüssigt werden. Der Nachteil dieses Verfahrens be­ steht zum einen darin, daß die trockenen Metallpulver mit ei­ nem zweikomponentigen Schmiermittelsystem, nämlich den Stea­ raten und dem Lösungsmittel zunächst vermischt werden müssen, wobei diese Vormischung weitgehend homogen sein muß. Ein wei­ terer Nachteil besteht darin, daß diese Pulvermischung zu­ nächst bis in den Bereich des Erweichungspunktes des verwen­ deten Schmiermittels relativ hoch vorerhitzt werden muß. Da­ durch ist auch die Gefahr von Anbackungen in den Zuführein­ richtungen zur Preßform gegeben. Nach Abschluß des Preßvor­ ganges und dem Ausstoßen des Grünlings muß das Schmiermittel entweder in einem gesonderten Vorgang abgedampft werden, be­ vor der Grünling dann auf die eigentliche Sintertemperatur aufgeheizt werden kann. Hierbei ist es nicht zu vermeiden, daß die Metallanteile des Schmiermittels im Sinterkörper ver­ bleiben, was je nach Einsatzzweck und je nach Art des verwen­ deten reinen oder legierten Metallpulvers ebenfalls zu Nach­ teilen führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das vorstehend be­ schriebene Verfahren zu verbessern.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung von sinterbaren metallischen Formteilen aus einem Metallpul­ ver, das mit einem einkomponentigen Preßhilfsmittel aus der Familie der Polyethylenoxide versetzt ist, und das in eine Preßform eingefüllt und nach dem Verdichten unter Druck als gepreßtes Formteil aus der Preßform ausgestoßen wird. Abgese­ hen von der Verwendung eines nur einkomponentigen Preßhilfs­ mittels hat die Verwendung von Preßhilfsmitteln aus der Fami­ lie der Polyethylenoxide, insbesondere in Form von Polyethy­ lenglykolen, überraschend gezeigt, daß zur Erzielung gleicher Grünfestigkeiten sehr viel geringere Preßdrücke als bei ande­ ren Preßhilfsmitteln aufzuwenden sind und daß auch die zum Ausstoßen des gepreßten Formteils aus der Preßform notwendi­ gen Kräfte deutlich verringert sind, so daß die vorstehend aufgeführten Nachteile der vorbekannten Verfahren vermieden sind.

Ein besonderer Vorteil der aus der Familie der Polyethylen­ oxide ausgewählten Preßhilfsmittel, insbesondere wenn sie in Form von Polyethynlenglykol eingesetzt werden, besteht darin, daß durch eine entsprechende Auswahl des Molekulargewichtes Einfluß auf die Preßparameter genommen werden kann, und zwar sowohl hinsichtlich des Erweichungspunktes und damit der Tem­ peraturführung beim Preßvorgang als auch hinsichtlich des Fließverhaltens beim Mischen und beim Füllen der Form. Hier­ bei ist insbesondere vorteilhaft, daß das erfindungsgemäß vorgeschlagene Preßhilfsmittel mit seinem Erweichungspunkt zwischen 40°C und 80°C liegt, so daß es ausreicht, nur das Preßwerkzeug entsprechend zu beheizen und dementsprechend das mit dem Preßhilfsmittel versetzte Metallpulver mit Raumtempe­ ratur in die Preßform eingefüllt werden kann. Hierdurch wird die Handhabung des Metallpulvers erheblich vereinfacht, ins­ besondere das Füllverfahren, da mit "kaltem" Pulver und "kalten" Füllwerkzeugen gearbeitet werden kann. Anbackungen, Klumpenbildung oder dergl. können nicht auftreten, da die Er­ wärmung des Metallpulvers erst in der Preßform erfolgt.

Der weitere Vorteil der beheizten Preßform besteht darin, daß unmittelbar nach dem Einfüllen zunächst einmal die Preßhilfs­ mittelanteile in den mit den Formwandungen in Kontakt stehen­ den Metallpulvermengen ihre Erweichungstemperatur erhalten, so daß beim anschließenden Preßvorgang die an den Werkzeug­ wandungen auftretenden Relativbewegungen zwischen Pulverfül­ lung und Preßwerkzeug bereits "geschmiert" erfolgen und so die Reibung in diesen Bereichen herabgesetzt wird. Bei der anschließenden vollständigen Druckbeaufschlagung wird die ge­ samte Pulverfüllung infolge des Preßdruckes über der Erwei­ chungspunkt hin erwärmt, so daß auch die internen infolge der durch die Teilchengeometrie des Metallpulvers relativ großen Relativbewegungen in der Metallpulverfüllung durch die Wir­ kung des schmierenden Preßhilfsmittels erleichtert werden. Infolge der inneren Verformung der Pulverfüllung wird ein Teil des in flüssigem Zustand vorliegenden Preßhilfsmittels in den Randbereich verdrängt. Es ergibt sich auch beim Aus­ stoßen des fertigen Grünlings eine erhebliche Reduzierung der Reibung zwischen dem Grünling und der Wandung der Preßmatri­ ze.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Preßhilfsmittel in einer Menge von bis zu 5 Ge­ wichts-%, bezogen auf den Metallpulveranteil, in der Mischung enthalten ist. Hierbei wird mit Vorteil ausgenutzt, daß die Dichte des erfindungsgemäßen Preßhilfsmittels höher als die Dichte herkömmlicher Preßhilfsmittel ist und somit bei glei­ chem Gewichtsanteil eine geringere Raumerfüllung seitens des Preßhilfsmittels und demzufolge eine höhere Raumerfüllung durch das verdichtete Metallpulver eingestellt wird. Ein wei­ teres Absenken des Gewichtsanteils durch Aufbringen des Preß­ hilfsmittels über ein Lösemittelverfahren wie die Sprüh­ trocknung und eine daraus folgende bessere Verteilung führt zu einer weiteren Erhöhung der Raumerfüllung durch das metal­ lische Pulver. Da das Preßhilfsmittel im Verlauf der weiteren thermischen Konsolidierung eliminiert wird, erfolgt somit auch eine Erhöhung der Enddichte des gesinterten Formteils.

Das Preßhilfsmittel in Form eines Polyethylenoxides, insbe­ sondere in Form eines Polyethylenglykols, wird so ausgewählt, daß es einen Erweichungspunkt zwischen 400 und 80°C aufweist. Als vorteilhaft hat sich hierbei ein Molekülgewicht zwischen 100 g/mol und 20.000 g/mol herausgestellt. Durch die Wahl ei­ nes Preßhilfsmittels mit einem entsprechenden Molekülgewicht kann auf den Mischvorgang und den Erweichungspunkt in gewis­ sen Grenzen Einfluß genommen werden.

Die Hydroxylzahl des Preßhilfsmittels kann zwischen 500 bis 700 liegen, während die Dichte zwischen 0,9 bis 1,25 g/cm³ liegen kann.

Durch die Mischung von Polyethylenglykolen mit unterschiedli­ chen Molekülgewicht läßt sich gezielt ein Preßhilfsmittel darstellen, das hinsichtlich Mischungseigenschaften, Erwei­ chungspunkt und Schmiereigenschaften genau auf das verwendete Verdichtungsverfahren abgestimmt werden kann.

Das hier vorgeschlagen Preßhilfsmittel kann mit der nachste­ hend angegebenen Summenformel charakterisiert werden:

H-[-O-CH₂-CH₂-]_n-OH.

Die mit dem hier angegebenen Preßhilfsmittel zu erzielenden Erhöhungen der Preßdichten erfolgen nicht vorrangig über eine temperaturabhängige Änderung der physikalischen Eigenschaften des metallischen Pulvers, wie bei dem in EP-A-0 375 627 be­ schriebenen Verfahren, sondern im wesentlichen über eine Ver­ besserung des Schmierverhaltens im zu verdichtenden Pulver selbst, insbesondere aber zwischen der Matrizenwand und der Pulverfüllung bei einer entsprechenden Temperaturführung an den Preßwerkzeugen. Ein weiterer Vorteil des hier vorgeschla­ genen Preßhilfsmittels besteht darin, daß es vor dem Sintern thermisch einfacher zu eliminieren ist, beispielsweise über Diffusionsvorgänge, Entweichen über Kapillarkräfte, Sublimie­ ren, Verdampfen oder ähnliches. Hierbei zeichnet sich das er­ findungsgemäße Preßhilfsmittel auch durch eine umweltverträg­ liche Entsorgungsmöglichkeit aus, da es über eine Pyrolyse in Wasserdampf und Kohlendioxid zerlegt werden kann.

Das Zumischen des Preßhilfsmittels kann bei einer pulverför­ migen Konsistenz in herkömmlicher Art über einen Mischer er­ folgen. Bei flüssiger Konsistenz ist es möglich, daß Preß­ hilfsmittel noch über eine zusätzliches Lösungsmittel in sei­ ner Viskosität zu reduzieren, so daß die Pulverteilchen in einem der Sprühtrocknung vergleichbaren Verfahren mit dem Preßhilfsmittel beschichtet werden können. Als Lösungsmittel eignen sich besonders Alkohole, wie Ethanol, Isopropanol oder Benzylalkohol, die nach dem Sprühen schnell verdampfen, so daß das gewonnene, mit dem Preßhilfsmittel versetzte Pulver "trocken" ist und die geforderte Fließfähigkeit beim Einfül­ len in die Preßform erhalten bleibt.

Als Schmiermittel zur Verminderung der Reibung zwischen Ma­ trizenwand und Pulverpartikeln einerseits sowie zwischen Pul­ verpartikeln andererseits werden bisher Metallstearate, ins­ besondere Lithium- oder Zinkstearate sowie Paraffine, Wachse, natürliche oder synthetische Fettderivate verwendet. Bei neueren Entwicklungen werden vielkomponentige hochtemperatur­ resistente (d. h. hier ca. 130°C) Schmiermittel verwendet, die somit eine Reduzierung der Streckgrenze des zu verpressenden Metalls bewirken und folglich zu höheren Preßdichten führen, wie auch in EP-A-0 375 627 beschrieben. Ein Vergleich der Verpreßbarkeit nach den unterschiedlichen Verfahren, konven­ tionelles Pressen bei Raumtemperatur, sogenanntes Warmpres­ sen, wie in EP-A-0 375 627 beschrieben, mit dem erfindungsge­ mäßen Verfahren ist in dem nachstehend Diagramm wiedergege­ ben.

Für den Versuch wurde ein diffusionslegiertes Stahlpulver mit 4% Nickel, 1,5% Kupfer und 0,5% Molybdän sowie einem Zusatz von 0,6% Kohlenstoff verwendet. Die Kurven zeigen hierbei die Abhängigkeit der Dichte vom Preßdruck.

Die Kurve 1 zeigt das Ergebnis bei der Anwendung des Kalt­ preßverfahrens mit einem herkömmlichen Schmiermittel in Form eines Amidwachses bzw. Mikrowachses.

Die Kurve 2 zeigt das Ergebnis bei der Anwendung des Warm­ preßverfahrens nach dem angegebenen Stand der Technik. Hier ist schon eine deutliche Verbesserung zu erkennen. Hierbei müssen jedoch die beschriebenen Nachteile in Kauf genommen werden.

Die Kurve 3 zeigt schließlich das Ergebnis bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das noch zu einer deutli­ cheren Steigerung in der Enddichte führt.

Die Reibung und damit die erforderlichen Ausstoßkräfte liegen trotz der hohen Verdichtung beim erfindungsgemäßen Verfahren spürbar niedriger als bei den herkömmlichen Verfahren.

Sehr deutliche Unterschiede ergeben sich jedoch bei einer Überprüfung der Grünfestigkeit. Bei Preßkörpern, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind, liegt die Grün­ festigkeit deutlich über den Werten, die mit Preßkörpern nach den herkömmlichen Verfahren zu erzielen sind.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von sinterbaren metallischen Formteilen aus einem Metallpulver, das mit einem einkomponen­ tigen Preßhilfsmittel aus der Familie der Polyethylenoxide versetzt ist und das in eine Preßform eingefüllt und nach dem Verdichten unter Druck als gepreßtes Formteil aus der Preß­ form ausgestoßen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Preßhilfsmittel in einer Menge von bis zu 5 Gewichts-%, bezo­ gen auf den Metallpulveranteil, in der Mischung enthalten ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Preßhilfsmittel einen Erweichungspunkt zwischen 40°C und 80°C aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Preßhilfsmittel ein Molekülgewicht zwi­ schen 100 und 20.000 g/mol aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Preßhilfsmittel eine Hydroxylzahl von 5 bis 700 aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Preßhilfsmittel eine Dichte von 0,9 bis 1,25 g/cm³ aufweist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das mit dem Preßhilfsmittel versetzte Pul­ ver in der Preßform bei einer Temperatur unterhalb des Erwei­ chungspunktes des verwendeten Preßhilfsmittels verpreßt wird, so daß sich eine Verflüssigung des Preßhilfsmittels durch die eingebrachte Energie während des Verdichtens ergibt.