DE19802924A1 - Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formteils aus einem Metallgranulat durch Heißpressen - Google Patents

Description

Bei der pulvermetallurgischen Herstellung von metallischen Formteilen wird ein Metallpulver zunächst in einer Preßform auf die gewünschte Raumform verdichtet und der so gewonnene Grünling der Preßform entnommen und in einem Sinterofen zu einem festen metallischen Körper zusammengesintert. Dieses Verfahren erfordert somit zwei getrennte Arbeitsschritte, namlich das Herstellen des Grünlings durch Preßverformung und die anschließende Sinterung durch Temperatureinwirkung.

Aus US-A-4,244,738 ist ein Verfahren zur Herstellung von me­ tallischen Formteilen bekannt, bei dem ein Metallgranulat in ein Preßwerkzeug eingefüllt und unter Sintertemperatur ver­ preßt wird, so daß bereits dem Preßwerkzeug das fertige me­ tallische Formteil entnommen werden kann.

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

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfah­ ren zur Herstellung eines metallischen Formteils aus einem Metallgranulat durch Heißpressen, bei dem das Metallgranulat in eine einen Formraum begrenzende Hüllform aus einem Metall­ blech eingefüllt, die Hüllform verschlossen und zusammen mit der Granulatfüllung unter Temperatureinwirkung durch das Preßwerkzeug verdichtend verformt wird. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß durch die Verwendung einer Hüllform das Einbringen des Metallgranulats in das formgeben­ de Preßwerkzeug vereinfacht werden kann. Hierbei kann die Hüllform in ihrer Grundform ganz oder nur teilweise der End­ form des zu erzeugenden metallischen Formteils entsprechen. Zur Herstellung der Hüllform wird zweckmäßigerweise ein Me­ tallblech verwendet, das in seiner metallurgischen Zusammen­ setzung der Zusammensetzung des Metallgranulats entspricht. Zumindest muß das Metallblech stofflich so ausgewählt werden, daß es mit dem Metallgranulat unter der Temperatureinwirkung während des Preßvorganges zusammensintert.

Die Hüllform kann bereits mit Metallgranulat gefüllt in das Preßwerkzeug eingelegt werden oder aber entsprechend einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor dem Füllen mit Metallgranulat in das Preßwerkzeug einge­ legt werden.

Je nach der geometrischen Gestaltung des zu erzeugenden me­ tallischen Formteils kann die Hüllform insgesamt den zu fül­ lenden Formraum bilden. Bei einfacheren geometrischen Formen, wie Zylindern, Rohren oder dergl., ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Hüllform zusammen mit einem Teil des Preßwerkzeugs den mit Metallgranulat zu füllenden Formraum bildet.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das in die Hüllform eingefüllte Metallgranu­ lat durch Vibration vorverdichtet wird. Diese Vorverdichtung kann je nach Art der verwendeten Hüllform vor dem Einlegen in das Preßwerkzeug oder aber im Preßwerkzeug erfolgen. Der Vor­ teil besteht darin, daß insbesondere bei gröberen Metallgra­ nulaten mit Korngrößen im Millimeterbereich und/oder unregel­ mäßiger Raumform die größtmögliche Packungsdichte erzielt werden kann, bevor durch das Preßwerkzeug die umformende Ver­ dichtung erfolgt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Preßwerkzeug in etwa auf der für das ver­ wendete Metallgranulat erforderlichen Sintertemperatur gehal­ ten wird. Zweckmäßig kann es sein, daß das Preßwerkzeug etwas oberhalb der Sintertemperatur gehalten wird. Hierdurch wird gewährleistet, daß beim Einlegen der Hüllform und beim Befül­ len mit Metallgranulat durch eine Wärmeaufnahme der in das Preßwerkzeug eingelegten Metallmengen für den anschließenden Preßvorgang die erforderliche Sintertemperatur gegeben ist.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Metallgranulat im Preßwerkzeug in etwa auf Sintertem­ peratur aufgeheizt wird. Dies kann beispielsweise elektro­ induktiv erfolgen. Hierdurch ist es möglich, die Hüllform und das Metallgranulat kalt, d. h. bei Raumtemperatur im Vorrat bereitzustellen, mit einfachen Handhabungsmitteln in das Preßwerkzeug einzuführen, während das Aufheizen auf Sinter­ temperatur dann erst im Preßwerkzeug erfolgt. Hierdurch ist aber auch gewährleistet, daß das Preßwerkzeug und das Metall­ granulat die gleiche Temperatur aufweisen, so daß unter­ schiedliche Gefügeausbildungen im fertigen Formteil vermieden werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Metallgranulat aufgeheizt, vorzugsweise in etwa mit Sin­ tertemperatur in die Hüllform eingefüllt wird. Durch diese Maßnahme sind kürzere Taktzeiten für eine Serienherstellung möglich.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Metallgranulat nadelförmig ausgebildet ist, wobei die einzelnen Nadeln vorzugsweise eine Länge von 0,3 bis 4 mm und einen Durchmesser von 0,5 bis 1,5 mm aufweisen. Ein derarti­ ges nadelförmig aus gebildetes Metallgranulat führt gegenüber einem "kugelförmigen" Metallgranulat zu einer höheren Füll­ dichte im Preßwerkzeug.

In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vor­ gesehen, daß das Metallgranulat mit Verstärkungsfasern aus Metall und/oder Keramik und/oder Cermet und/oder Kohlenstoff vermischt ist. Durch die Verwendung eines Metallgranulates, insbesonders eines Metallgranulates mit nadelförmig struktu­ rierten Partikeln lassen sich die Verstärkungsfasern besser einmischen und wird zugleich eine Entmischung beim Befüllen der Hüllform vermieden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die verdichtende Verformung der gefüllten Hüllform durch das Preßwerkzeug intermittierend erfolgt. Durch ein derartiges dynamisches Verdichten bzw. Walken brechen die Oxidhäute des Metallgranulates auf, so daß sich großflächige, rein metallische Berührungen zwischen den einzelnen Granulatpartikeln ergeben, die zu einem besse­ ren Sinterverbund führen.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Herstellung von rohrförmigen formtei­ len für die Hüllform ein Hüllrohr auf einen Formdorn aufge­ steckt wird, der einen gegenüber dem Hüllrohr geringeren Durchmesser aufweist und daß der Zwischenraum zwischen Hüll­ rohr und Formdorn den Formraum bildet und mit Metallgranulat gefüllt und die Füllöffnung durch ein Schließteil des Preß­ werkzeugs verschlossen und anschließend das mit Metallgranu­ lat gefüllte Hüllrohr durch umlaufendes Walzpressen verdich­ tend verformt wird. Das fertige Formteil kann anschließend vom Formdorn abgezogen werden. Hierbei kann das Preßwerkzeug, in diesem Fall der Formdorn, zumindest zum Teil mit einer An­ tihaftbeschichtung versehen sein. Es kann aber auch das fer­ tige Rohr nach dem Öffnen des Preßwerkzeugs durch geringfügi­ ges Aufheizen aufgeweitet und dann abgezogen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand schematischer Zeichnungen für das Beispiel der Herstellung von rohrförmigen Formteilen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Befüllen des Preßwerkzeugs,

Fig. 2 den Verdichtungsvorgang,

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel zur Aufbringung der Verdichtungskraft,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel zur Aufbringung der Verdichtungskraft,

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel zur Aufbringung der Verdichtungskraft.

In Fig. 1 ist schematisch und im Vertikalschnitt ein Preß­ werkzeug 1 dargestellt. Dieses besteht im wesentlichen aus einem auf einer Grundplatte 2 angeordneten Formdorn 3 und ei­ ner am freien Ende des Formdorns 3 angeordneten und gegen die Stirnfläche 4 des Formdorns 3 anpreßbaren Schließplatte 5. Zur Herstellung eines rohrförmigen Formkörpers wird auf den Formdorn 3 eine aus einem Metallblech gefertigt Hüllform 6 aufgesetzt, deren Innendurchmesser größer ist als der Außen­ durchmesser des Formdorns 3. Der Zwischenraum zwischen Formdorn 3 und Hüllform 6 bildet hierbei den Formraum 8. Die "Wandstärke" s des Formraums 8 entspricht dem gewünschten Verdichtungsverhältnis, das beispielsweise 2 : 1 betragen kann. Das bedeutet, daß bei einer Wandstärke des fertigen rohrförmigen Formteils von beispielsweise 4 mm der Formraum 8 eine Wandstärke s von 8 mm aufweist.

Das Hüllrohr 6 ist aus einem Metallblech gefertigt und weist je nach Einsatzfall eine Wanddicke von d = 0,1 bis etwa 3 mm. Die dünnen Wanddicken von beispielsweise 0,8 bis 1 mm ergeben dann als Formteil ein Rohr, dessen Wandstärke überwiegend aus gesintertem Material gebildet wird. Die Verwendung eines Hüllrohres mit einer Wanddicke von 3 mm bei entsprechender Verformbarkeit auch noch mit größerer Wanddicke ermöglicht die Herstellung eines Rohres dessen Wandstärke im wesentli­ chen durch das Material des Hüllrohres gebildet wird, so daß das gesinterte Metallgranulat auch in einer dünneren Schicht­ dicke vorhanden sein kann und somit in erster Linie die Funk­ tion einer "Beschichtung" besitzt.

In den Formraum 8 wird nun ein Metallgranulat eingefüllt, wo­ bei das Preßwerkzeug 1 Vibrationen ausgesetzt wird, um für das eingefüllte Metallgranulat die bestmögliche Packungsdich­ te zu erzielen. Anschließend wird, wie in Fig. 2 dargestellt, die Schließplatte 5 gegen die Stirnfläche 4 des Formdorns 3 angepreßt. Danach wird das Preßwerkzeug 1 mit einem Verdich­ tungswerkzeug 9 in Verbindung gebracht. Das Preßwerkzeug 1 und das Verdichtungswerkzeug 9 werden hierbei relativ zuein­ ander drehend über den Außenumfang der Hüllform 6 geführt, so daß die Hüllform 6 zusammen mit der im Formraum 8 befindli­ chen Metallgranulatfüllung verformt wird. Da die Metallgranu­ latfüllung 10 zu Beginn des Verformungsschrittes auf die für das verwendete Metall erforderliche Sintertemperatur aufge­ heizt ist, wird das Granulat nicht nur verdichtet, sondern die einzelnen Granulatpartikel auch zusammengesintert. Nach­ dem die gewünschte Endverdichtung erreicht ist, wird das Ver­ dichtungswerkzeug 9 zurückgestellt, die Schließplatte 5 ge­ öffnet und das fertige rohrförmige Formteil abgezogen. An­ schließend kann, sofern gewünscht, das fertige Formteil noch zur Beeinflussung des Endgefüges einer nachfolgenden Wärmebe­ handlung unterzogen werden. Nach dem Abkühlen können die Stirnseiten des fertigen Formteils noch mechanisch bearbeitet werden.

Durch das Zusammenwirken von Verdichtungskräften und Tempera­ tur sintert auch das Metallblech der Hüllform 6 mit dem Me­ tallgranulat 10 zusammen, so daß sich hier eine einwandfreie metallische Verbindung ergibt.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der drei walzenförmig ausgebildete Verdichtungswerkzeuge 9.1 vorgese­ hen sind, die radial zustellbar in bezug auf das drehbar ge­ lagerte Preßwerkzeug 1 angeordnet sind. Das Preßwerkzeug 1 wird hierbei drehend angetrieben, während die Preßkraft durch die radiale Zustellung der Walzen 9.1 aufgebracht wird.

Fig. 4 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform, bei der das Preßwerkzeug 1 mit einem als Ringwalze 9.2 ausgebildeten Verdichtungswerkzeug zusammenwirkt. Die Zustellung und damit die Verdichtungskraft kann hierbei über eine radiale Ver­ schiebung der Ringwalze 9.2 und/oder eine radiale Verschie­ bung des Preßwerkzeugs 1 erfolgen.

Die Anordnung gem. Fig. 3 und auch die Anordnung gem. Fig. 4 läßt erkennen, daß der Verdichtungsvorgang intermittierend erfolgt, d. h. die im Formraum 8 befindlichen Metallpartikel werden nicht ständig der Verdichtungskraft unterworfen, son­ dern infolge der relativen Umlaufbewegung zwischen Verdich­ tungswerkzeug 9 und Preßwerkzeug 1 fortlaufend gepreßt und wieder entlastet, so daß das sich ausbildende Gefüge immer wieder Erholungsphasen ausgesetzt ist. Durch eine entspre­ chende Abstimmung der relativen Umlaufgeschwindigkeit läßt sich die Zeitdauer der Erholungsphase, aber auch die Verfor­ mungsgeschwindigkeit während der Verdichtungsphase beeinflus­ sen.

Fig. 5 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform, bei der das Preßwerkzeug 1 mit einem mehrere, beispielsweise drei Preßbacken 9.3 aufweisenden Verdichtungswerkzeug zusammen­ wirkt. Das Preßwerkzeug 1 ist vorzugsweise vertikal ausge­ richtet und die Preßbacken 9.3 werden radial in Richtung auf das Preßwerkzeug 1 zugestellt und übertragen verformend und verdichtend die Preßkraft auf das die Granulatfüllung umfas­ sende Hüllrohr. Durch eine intermittierende Druckbeaufschla­ gung der Preßbacken läßt sich auch hierbei ein intermittie­ render Verdichtungsvorgang bewirken.

Während bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren der Form­ raum 8 nur zum Teil durch die rohrförmige Hüllform 6 begrenzt wird, während der anderen Teil durch den Formdorn 3 begrenzt wird, ist es auch möglich, eine vollständig aus Metallblech vorgefertigte Hüllform vorzusehen, die zunächst mit dem Me­ tallgranulat gefüllt und erst dann in das Preßwerkzeug einge­ legt wird. Auch hier kann die gefüllte Hüllform vor dem Ein­ legen in das Preßwerkzeug auf Sintertemperatur gebracht wer­ den oder aber erst nach dem Einlegen in das Preßwerkzeug auf Sintertemperatur gebracht werden, wobei das Preßwerkzeug sel­ ber zweckmäßigerweise ebenfalls auf einem entsprechenden Tem­ peraturniveau gehalten wird. Damit ist es möglich, beispiels­ weise auch flache Formteile in einem geteilten backenförmigen Preßwerkzeug herzustellen, wie sie üblicherweise nur in Ge­ senkschmieden bzw. Sinterschmieden herstellbar sind. Auch hier ist es zweckmäßig, wenn über das Preßwerkzeug die Ver­ dichtungskraft intermittierend aufgebracht wird.

Der Begriff "Metall" im Sinne der vorliegenden Erfindung um­ faßt sowohl reine Metalle und Metallegierungen als auch Me­ tallmischungen, bei denen beispielsweise sogenannte Hartpha­ sen bereits in die einzelnen Partikel des Metallgranulats eingebunden sind oder aber als diskrete Partikel im Metall­ granulat enthalten sind, die erst durch den Verdichtungs- und sintervorgang in das Gefüge des fertigen Formteils eingebun­ den werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formteils aus einem Metallgranulat durch Heißpressen, bei dem das Metall­ granulat in eine Hüllform (6) aus einem Metallblech einge­ füllt, die Hüllform (6) verschlossen und zusammen mit der Granulatfüllung (10) unter Temperatureinwirkung durch ein Preßwerkzeug (1, 9) verdichtend verformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllform (6) vor dem Füllen mit Metallgranulat (10) in das Preßwerkzeug (1) eingelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllform (6) zusammen mit einem Teil (3) des Preß­ werkzeuges (1) den mit dem Metallgranulat zu füllenden Form­ raum (8) bildet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das in die Hüllform (6) eingefüllte Metall­ granulat (10) durch Vibration vorverdichtet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Preßwerkzeug (1) in etwa auf der für das verwendete Metallgranulat (10) erforderlichen Sintertem­ peratur gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Metallgranulat (10) im Preßwerkzeug (1) in etwa auf Sintertemperatur aufgeheizt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Metallgranulat (10) aufgeheizt, vor­ zugsweise in etwa auf Sintertemperatur aufgeheizt in die Hüllform (6) eingefüllt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Metallgranulat (10) nadelförmig ausge­ bildet ist, wobei die einzelnen Nadeln vorzugsweise eine Län­ ge von etwa 0,3 bis 4 mm und einen Durchmesser von 0,5 bis 1,5 mm aufweisen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Metallgranulat (10) mit Verstärkungsfa­ sern aus Metall und/oder Keramik und/oder Cermet und/oder Kohlenstoff vermischt ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die verdichtende Verformung der gefüllten Hüllform (6) durch das Preßwerkzeug (1, 9) intermittierend erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Herstellung von rohrförmigen Formteilen für die Hüllform (6) ein Hüllrohr auf einen Formdorn (3) auf­ gesteckt wird, der einen gegenüber dem Hüllrohr (6) geringe­ ren Durchmesser aufweist und daß der Zwischenraum zwischen Hüllrohr (6) und Formdorn (3) den Formraum (8) bildet und mit Metallgranulat gefüllt und die Hüllöffnung durch einen Schließteil (5) des Preßwerkzeugs (1) verschlossen und an­ schließend das mit Metallgranulat (10) gefüllte Hüllrohr (6) durch umlaufendes Walzpressen verdichtend verformt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der mit dem Metallgranulat (10) in Berüh­ rung kommenden Flächenbereich des Preßwerkzeuges mit einer Antihaftbeschichtung versehen ist.