DE19944522C2 - Herstellungsverfahren für ein gesintertes Kompositmaschinenbauteil mit einem inneren Teil und einem äußeren Teil - Google Patents

Herstellungsverfahren für ein gesintertes Kompositmaschinenbauteil mit einem inneren Teil und einem äußeren Teil

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DE19944522C2
DE19944522C2 DE19944522A DE19944522A DE19944522C2 DE 19944522 C2 DE19944522 C2 DE 19944522C2 DE 19944522 A DE19944522 A DE 19944522A DE 19944522 A DE19944522 A DE 19944522A DE 19944522 C2 DE19944522 C2 DE 19944522C2
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    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • B22F7/062—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools involving the connection or repairing of preformed parts

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren von Maschinenbauteilen wie einem Kompositbauteil, bei dem das Maschinenbauteil aus mehreren Abschnitten, in die es unterteilt wird, hergestellt wird und die zu dem gesamten Maschinenbauteil vereinigt werden, und insbesondere ein Herstellungsverfahren für Maschinenbauteile, das sich eignet, Maschinenteile dadurch herzustellen, daß ein Teil, das aus einem Grünpreßling besteht, und ein anderes Teil, das aus einem Grünpreßling, einem Sinterformteil oder Schmiedestahl besteht, mittels eines pulvermetallurgischen Verfahren gebildet wird, diese zusammengefügt und durch Sintern miteinander verbunden werden, um das Maschinenbauteil als Kompositbauteil fertigzustellen, und insbesondere die Herstellung von Maschinenbauteilen mit komplizierten Formen oder solche, die teilweise eine spezielle Eigenschaft erfordern.
Bei der Herstellung eines Maschinenbauteils, das eine komplizierte Form hat, oder eines Maschinenbauteils, das teilweise eine spezielle Eigenschaft aufweist, gestaltet es sich schwierig, dieses als ein einzelnes Teil auszubilden. In einem solchen Fall wird das Maschinenteil üblicherweise zunächst aufgeteilt und aus mehreren Abschnitten gebildet, die dann zu einem Körper vereinigt werden, um es so als Kompositbauteil herzustellen. Es sind einige Verfahren als Mittel für das Verbinden mehrerer Abschnitte zu einem Körper bekannt und ein geeignetes Bindeverfahren, das als Möglichkeit ausgewählt werden kann, erfordert, für die Herstellung solche Maschinenteile als Kompositbauteile zu verwenden. Allerdings ist das Herstellungsverfahren für Maschinenteile mittels Pulvermetallurgie überaus gut für die Herstellung von Kompositkomponenten.
Bei dem Herstellungsverfahren von Kompositbauteilen durch Pulvermetallurgie wird zumindest eine der mehreren Teilabschnitte aus einem Grünpreßling (green compact) gebildet und andere Abschnitte werden aus einem Grünpreßling, einem Sinterpreßling/formteil (sinter compact) oder Schmiedestahl gebildet, und sie werden miteinander verbunden, indem sie miteinander in Kontakt gebracht und gesintert werden. Um zu diesem Zeitpunkt eine feste Verbindung zu erhalten, ist während des Sinterns ein gegenseitiger fester Kontakt der Verbindungsoberflächen (joint surfaces) erforderlich, und das Verbindungsprofil der konventionellen Kompositkomponenten ist einfach, um in Abschnitte unterteilt zu werden und zu flachen Flächen verbunden zu werden.
Allerdings ist es bei der Herstellung von Kompositbauteilen häufig erforderlich, das Bauteil mit einem komplizierten Verbindungsprofil herzustellen, so daß ein Teil in das andere Teil eingefügt wird. Zur Herstellung solcher Verbundteile ist ein Herstellungsverfahren mittels Pulvermetallurgie geeignet und verschiedene Verbundteile werden unter Verwendung mehrerer Abschnitte, die durch Verdichten in Formen gebildet werden, hergestellt.
Bei der Herstellung eines gesinterten Bauteils durch Zusammenfügen mehrerer Grünpreßlinge gibt es den allgemeinen Fall, bei dem ein Grünpreßling zu einen Schaftbereich geformt wird, und ein anderer Grünpreßling wird in eine Form gebracht, die ein Loch aufweist, um den Schaftbereich aufzunehmen. Der Grünpreßling mit dem Schaftbereich (der nachfolgend der innere Grünpreßling genannt wird, da er beim Zusammenfügen auf der Innenseite ist) und der Grünpreßling mit dem Loch (der nachfolgend als äußerer Grünpreßling bezeichnet wird) werden in dem Zustand gesintert, bei dem der Schaftteil in das Loch eingefügt ist, so daß sie zu einem Körper durch Diffusionsbindung vereinigt werden. Es sollte angemerkt werden, daß in diesem Fall das Ausmaß der thermischen Ausdehnung des Grünpreßlings während des Sinterns von seiner chemischen Zusammensetzung abhängt, und, um die Verbindungsfestigkeit (joint strength) zu erhöhen, die chemische Zusammensetzung der beiden Grünpreßlinge so ausgewählt wird, daß die thermische Ausdehnung des äußeren Grünpreßlings kleiner sein kann als die des inneren Grünpreßlings, um ein Sintern bei festem Kontakt zwischen den beiden Grünpreßlinge zu erreichen.
Aus der DE 44 18 268 A1 ist ein Verfahren zum dauerhaften, festen Verbinden von Formteilen bekannt, wobei ein erstes, pulvermetallurgisch hergestelltes Formteil mit einem oder mehreren weiteren, schmelzmetallurgisch oder ebenfalls pulvermetallurgisch hergestellten Formteilen zusammengefügt und auf erhöhte Temperatur erhitzt werden. Für das Verfahren wird eine Schutzgasatmosphäre wie etwa Stickstoff oder Argon benutzt oder auch Vakuum angelegt. Möglich ist es auch, eine reduzierende Atmosphäre, wie Wasserstoffgas, zu benutzen. Eine carburierende Atmosphäre ist nicht offenbart. Die zu verbindenden Formteile bestehen aus Pulvermetallwerkstoffen, die neben Eisen als Hauptbestandteil Legierungszusätze in einem Anteil bis 6 Gew.-%, in einzelnen Fällen auch bis etwa 8 Gew.-% enthalten. Die verwendeten Legierungszusätze enthalten im allgemeinen C, Cu, Ni, Mo, Cr, P, Co, W, Mn, Si.
Beispielsweise wird ein Fe-Cu-Grünpreßling, der sich durch Sintern leicht ausdehnt, als innerer Grünpreßling verwendet, und ein Fe-Ni-Grünpreßling, der durch Sintern leicht schrumpft, als äußerer Grünpreßling verwendet. Da sich die chemische Zusammensetzung im Gesamtbauteil teilweise unterscheidet, wird bei diesem Verfahren lediglich ein Bauteil mit teilweise unterschiedlichen Eigenschaften erhalten.
Um dieses Problem zu lösen, haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung kürzlich in der japanischen Patentschrift Nr. (Kokoku) 62-35442 (Veröffentlichungsnummer JP 58193304 A) offenbart, daß bei Verwendung von Materialien gleicher chemischer Zusammensetzung im inneren Teil und dem äußeren Teil eine Erhöhung der Verbindungsfestigkeit (joint strength) erreicht wird, indem der Kohlenstoffgehalt des inneren Teils um 0,2% höher als der des äußeren Teils gewählt wird, so daß der innere Teil sich relativ mehr ausdehnt, um einen engen Kontakt der beiden Teile zu erreichen und das Verbinden durch Festphasen-Diffusion der Legierungskomponenten zu fördern.
Aufgrund dieser vorhergehenden Erfindung können Legierungen mit ähnlicher Zusammensetzung in dem äußeren Teil und dem inneren Teil verwendet werden. Da Kohlenstoff ein Element ist, das einen großen Einfluß auf die Eigenschaften von Eisenlegierungen besitzt, ist es allerdings nicht bevorzugt, daß sein Gehalt zwischen dem äußeren Teil und dem inneren Teil differiert.
Daneben werden solche gesinterten Kompositmaschinenbauteile durch das Verbinden von Grünpreßlingen hergestellt, es kann allerdings, in Abhängigkeit von der Anwendung der Komponenten, der Funktion oder anderen Erfordernissen, notwendig sein, Kompositteile unter Verwendung von Sinterpreßlingen oder Schmiedestahl in einem Teil herzustellen.
Insbesondere wird üblicherweise das Schweißen von Sinterlegierungen und anderen Materialien vermieden, da dessen Porösität sich negativ auswirkt, und, wenn Schweißen erforderlich ist, ist man gezwungen, ein teures Verfahren wie Laserschweißen unter Verwendung von Schweißdraht mit einer speziellen Zusammensetzung einzusetzen. Wenn gesinterte Legierungsbauteile und Stahl oder andere Materialien ohne die Verwendung von Schweißen miteinander verbunden werden, werden beide Bauteile mittels Schlüssel befestigt, indem Keilnuten in beide gebohrt werden oder durch Bolzen befestigt, indem Löcher in beide gebohrt werden. Wie oben beschrieben, ist die Herstellung von Kompositbauteilen unter Verwendung von Schmiedestahl in einem Teil und einem Grünpreßling im anderen Teil sehr nützlich, da sie auf Gebiete ausgedehnt werden kann, in denen schweißbare Maschinenteile hergestellt werden können.
Allerdings ist das Verbinden von Stahlmaterial und Grünpreßlingen, insbesondere das Verbinden an komplizierten Verbindungsoberflächen, einschließlich des Einfügens nicht einfach, wie oben erklärt.
Der Grünpreßling zeigt während des Sinterns Dimensionsveränderungen aufgrund von allotropischen Umwandlungen und Hitze, die dieselben sind wie im Fall von geschmolzenem Material. Da der Grünpreßling im Sinterprozeß aufgrund von Veränderungen von Abständen zwischen, Pulverpartikeln, d. h. Zusammenschließen zur Porenbildung und Verlust von Poren, verdichtet wird (oder schrumpft), ist das Ausmaß der thermischen Ausdehnung beim gewöhnlichen Sintern im Prinzip kleiner verglichen mit dem von Stahlmaterial oder gesintertem Material der gleichen Zusammensetzung.
Wenn das äußere Teil ein Grünpreßling ist und das innere Teil Stahl oder ein Sinterpreßling ist, muß das äußere Teil (Grünpreßling) daher relativ mehr schrumpfen, um mit dem inneren Teil (Stahl, Sinterpreßling) fest in Kontakt zu treten, so daß die beiden Teile im ausreichenden Maße miteinander verbunden sind. In der Tat wird, wenn zwei Grünpreßlinge miteinander verbunden werden, die Diffusion von Bestandteilen der Grünpreßlinge gefördert und eine hohe Verbindungsfestigkeit erhalten. Wenn das innere Teil aus Stahl oder einem Sinterpreßling hergestellt worden ist, wird trotz allem unter den gewöhnlichen Sinterbedingungen, die für die Massenproduktion gewählt werden, die erforderliche Verbindungsfestigkeit nicht erhalten. In diesem Fall kann die Verbindungsfestigkeit möglicherweise durch Änderung der Sinterbedingungen wie die Teile bei hoher Temperatur über einen langen Zeitraum zu sintern, verbessert werden. Allerdings ist eine solche Änderung unter den Gesichtspunkten von Produktionseffizienz und Kosten schwierig in die Praxis umzusetzen.
Als Gegenmaßnahme ist ein Verbindungsverfahren entwickelt worden, bei dem die Verbindungsoberfläche des Stahlbauteils vor dem Zusammenfügen mit dem Grünpreßling einem Carburierungsprozeß unterworfen wird. Dieses Verfahren verwendet das folgende Phänomen: d. h., wenn eine carburierte Schicht mit einem Kohlenstoffgehalt, der höher ist als der eines Grünpreßlings auf einer Stahloberfläche ausgebildet wird, nimmt der Ausdehnungsgrad des Stahles zu, und die Diffusion von Kohlenstoff aus der Carburierungsschicht in den Grünpreßling wird während des Sinterns im ausreichenden Maße gefördert, und es wird eine hohe Verbindungsfestigkeit, wie im Fall von zwei Grünpreßlingen, erhalten.
Allerdings erfordert dieses Verfahren eine lange Dauer des Carburierungsprozesses mittels der Ionen-Carburierungsmethode oder dergleichen und die Kosten für die Behandlung des Stahlmaterials sind hoch. Darüber hinaus kann es nicht auf ein Material angewandt werden, das für die Carburierung nicht geeignet ist, oder auf einen Fall, bei dem die Carburierung nicht bevorzugt wird. Deshalb ist der Anwendungsbereich begrenzt.
Da im Fall eines aus Stahl oder eines als Sinterpreßling hergestellten äußeren Teil und eines aus einem Grünpreßling inneren hergestellten Teil der innere Teil (Grünpreßling) relativ mehr schrumpft, wodurch Dissoziation vom äußeren Teil (Stahl, Sinterpreßling) auftritt, ist Verbinden durch das Sintern schwieriger als im oben erwähnten Fall.
Wenn eine Verbindung von einem Sinterkörper zu einem anderen Teil hergestellt wird, muß ferner die Anwendung von Schweißen vermieden werden, da der Sinterpreßling aufgrund seiner Porosität und anderen Eigenschaften nicht zum Verschweißen mit anderen Bauteilen geeignet ist. Wenn ein Kompositbauteil unter Verwendung von Stahlmaterialien auf einfache Weise hergestellt wird, sollte es daher möglich sein, Maschinenbauteile herzustellen, die sowohl die Vorteile des Sinterproduktes als auch die Vorteile des zum Schweißen geeigneten Stahlmaterials aufweisen.
Im Anbetracht dieser Probleme ist daher ein vorrangiges Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für Maschinenbauteile bereitzustellen, das in der Lage ist, die Dimensionsveränderungen des inneren Teils und des äußeren Teils, die aus Grünpreßlingen bestehen, während des Sinterns zu kontrollieren, ohne die grundlegenden chemischen Zusammensetzung oder den Mischgehalt des Graphits zu verändern, und das die beiden Teile vorteilhaft miteinander verbindet.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für Kompositbauteile bereitzustellen, bei dem kein Carburierungsprozeß von Stahlmaterialien für das Verbinden von Grünpreßlingen durch Sintern erforderlich ist, und das insbesondere anwendbar ist auf eine Kombination eines Teiles aus Schweißstahl oder gesintertem Metall und dem anderen Teil des Grünpreßlings.
Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für Maschinenbauteile bereitzustellen, die mit anderen Bauteilen verschweißt werden können, während die Vorteile der Pulvermetallurgie erhalten bleiben.
Eine vierte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für Kompositbauteile bereitzustellen, dadurch daß Grünpreßlinge (green compact) und Sinterpreßlinge (sintered compact) durch Sintern miteinander verbunden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Maschinenbauteils eines gesinterten eisenhaltigen Verbundwerkstoffs (composite), der umfaßt ein äußeres Teil mit einem Loch und ein inneres Teil mit einem Schaft, der in das Loch des äußeren Teils eingepaßt wird, umfaßt die Schritte: Herstellen des äußeren Teils oder des inneren Teils als ein Grünpreßling aus eisenhaltigem Eisenpulver und des anderen Teils als ein Grünpreßling aus eisenhaltigem Metallpulver, einem Sinterpreßling aus eisenhaltigem Metallpulver oder einem eisenhaltigen Schmelzmetall (mass of molten metal); Einfügen des Schaftes des inneren Teils in das Loch des äußeren Teils; und Sintern des äußeren Teils und des inneren Teils, um das äußere Teil und das innere Teil miteinander zu verbinden, wobei das äußere Teil und das innere Teil so hergestellt sind, um eine Paßtoleranz von ungefähr -60 bis +5 µm aufzuweisen, und wenn nur das äußere Teil als Grünpreßling hergestellt wird, das äußere Teil so hergestellt wird, daß es im wesentlichen kein Zink enthält und die Atmosphäre im Sinterschritt eine carburierende Atmosphäre ist, oder, dass das äußere Teil Zink enthält und die Atmosphäre des Sinterschrittes eine im wesentlichen nicht carburierende Atmosphäre ist, und, wenn das innere Teil als Grünpreßling hergestellt wird, das innere und das äußere Teil so hergestellt werden, daß nur das innere Teil Zink enthält, und die Atmosphäre beim Sinterschritt eine im wesentlichen carburierende Atmosphäre ist.
In einem anderen Aspekt umfaßt das Verfahren zur Herstellung eines Maschinenbauteils aus einem gesinterten eisenhaltigen Verbundwerkstoff, der umfaßt ein äußeres Teil mit einem Loch und ein inneres Teil mit einem Schaft, der in das Loch des äußeren Teils eingefügt wird, die Schritte: Herstellen sowohl des äußeren Teils als auch des inneren Teils als Grünpreßling aus einem eisenhaltigen Metallpulver; Einfügen des Schafts des inneren Teils in das Loch des äußeren Teils; und Sintern des äußeren Teils und des inneren Teils, um das äußere Teil und das innere Teil miteinander zu verbinden, wobei das innere Teil und das äußere Teil so hergestellt werden, daß sie eine Paßtoleranz von ungefähr -100 bis +5 µm zu haben, das äußere Teil im wesentlichen kein Zink enthält, jedoch das innere Teil Zink enthält, und die Atmosphäre im Sinterschritt eine im wesentlichen carburierende Atmosphäre ist.
In einem weiteren Aspekt umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Maschinenbauteils aus einem gesinterten eisenhaltigen Verbundwerkstoff, das umfaßt ein äußeres Teil mit einem konkaven Bereich und ein inneres Teil, das in den konkaven Bereich des äußeren Teils eingefügt wird, die Schritte: Herstellen des äußeren Teils oder des inneren Teils als Grünpreßling aus einem eisenhaltigen Metallpulver und des anderen als Grünpreßling aus einem eisenhaltigen Metallpulvers, einem Sinterformling aus eisenhaltigem Metallpulver oder aus eisenhaltigem Schmelzmetall; Einfügen des inneren Teils in das äußere Teil; und Sintern des äußeren Teils und des inneren Teils, um das äußere Teil und das innere Teil miteinander zu verbinden, wobei das äußere Teil und das innere Teil unter Berücksichtigung der dilatometrischen Eigenschaften des äußeren Teils und des inneren Teils hergestellt werden, um im Sinterschritt eine Interferenz durch eine relative Ausdehnung des inneren Teils zum äußeren Teil zu erreichen, so daß das äußere Teil und das innere Teil zumindest zeitweilig in einem Temperaturbereich von ungefähr 750°C oder oberhalb fest gegeneinander gefügt werden.
Die Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gegenüber den bislang vorgeschlagenen konventionellen Verfahren werden anhand der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besser ersichtlich.
Bei der Herstellung eines Kompositbauteils, bei dem mehrere Abschnitte separat ausgebildet und anschließend zu einem Körper vereinigt werden, kann der Verbindungsbereich ein Anschlußstück (fitting) oder Einsatzstück (insertion) aufweisen. Beispielsweise ist ein Teil so geformt, daß es einen axialen Vorsprung aufweist, und das andere Teil besitzt ein axiales Loch, in das der Vorsprung des anderen Teils eingefügt und mit dem er verbunden wird. Oder, in einem anderen Fall, besitzt ein Teil eine Innenbohrung oder ein Loch, in das das andere Teil vollständig aufgenommen und eingefügt wird. Wenn ein solcher Aufnahmebereich hergestellt wird, um das Kompositmaschinenbauteil herzustellen, ist es schwierig, falls ein Grünpreßling für zumindest ein Teil mittels Pulvermetallurgie verwendet wird, im Vergleich zu einer ebenflächigen Verbindung eine Verbindung auszubilden.
Wenn zwei Teile, von denen zumindest eines aus einem Grünpreßling gebildet wird, miteinander verbunden werden, indem sie zusammengefügt und gesintert werden, ist es erforderlich, daß die Verbindungsoberflächen während des Sinterns in engem Kontakt stehen, so daß eine Festphasendiffusion zwischen den Bindungsoberflächen beim Sintern gefördert wird.
Da Festphasendiffusion in eisenhaltigen Metallen (reines Eisen, Eisenlegierungen) bei einer Temperatur von ca. 750°C oder höher stattfindet, müssen die Verbindungsoberfläche bei einer Temperatur von ungefähr 750°C oder höher, vorzugsweise von 800°C oder höher, miteinander zumindest zeitweise in Kontakt stehen.
Elemente, die einen engen Kontakt der Verbindungsoberflächen verursachen, schließen ein:
  • 1. Die Druckkräfte, die zwischen den Verbindungsoberflächen der zwei Teile aufgrund der Dimensionen, die für die Verbindungsbereiche ausgewählt werden, auftreten und
  • 2. die Druckkräfte, die relativ zwischen den Verbindungsoberflächen durch Dimensionsänderungen aufgrund der thermischen Ausdehnung oder des Schrumpfs während des Sinterns auftreten.
Die Erzeugung von Druckkräften nach 1) erfordert das Einpassen des inneren Teils in das äußere Teil unter Druck, und der erzielbare Effekt ist ziemlich beschränkt, um ein Auseinanderbrechen des Grünpreßlings zu vermeiden. Daher ist es wünschenswert, zusätzliche Effekte durch die Druckkräfte nach 2) sowie durch Festphasendiffusion zu erhalten, je nach Schwierigkeit der Verbindung. Das bedeutet, daß die Bindungsoberflächen zumindest zeitweise während des Sinterns, insbesondere bei 750°C oder höher, vorzugsweise bei 800°C oder höher, miteinander in Kontakt stehen sollten, und es ist bevorzugt, den Kontakt so zu gestalten, daß ein Druckkraft zwischen den beiden Oberflächen erzeugt wird.
Die wichtigsten Faktoren, die die Druckkraft nach 2) beeinflussen, schließen eine Dimensionsänderung, die den Sintervorgang begleitet, ein. Diese Dimensionsänderung scheint das künstliche Ergebnis des Schrumpfens des Grünpreßlings aufgrund des Sinterns, der thermischen Ausdehnung des Materials; und der Ausdehnung aufgrund des Carburierens zu sein, wobei jeder dieser Faktoren unabhängig voneinander während des Sinterns auftritt. Das Carburieren wird durch den Kohlenstoff, der im Grünpreßling enthalten ist oder durch carburierende Bestandteile in der Sinteratmosphäre hervorgerufen. Darüber hinaus kann das Carburieren durch Katalysatoren oder andere Komponenten gefördert werden. Falls das äußere Teil (das Teil mit der Innenbohrung oder dem Loch zum Einfügen) eines Kompositbauteils aus einem Grünpreßling besteht, müssen daher die Bedingungen so eingestellt werden, daß das Schrumpfen dieses Grünpreßlings aufgrund des Carburierens nicht unterdrückt wird, d. h. die Carburierung darf nicht gefördert werden, und, wenn das innere Teil (das Teil, das einen Vorsprung zur Aufnahme hat oder den Bereich, der vollständig eingefügt werden muß) aus einem Grünpreßling besteht, müssen die Bedingungen so gewählt werden, daß ein Schrumpfen dieses Grünpreßlings unterdrückt wird, d. h. die Carburierung gefördert wird, so daß die Druckkraft nach 2) relativ erzielt werden kann. Dies kann verwirklicht werden, indem dilatometrische Kurven des inneren Teils und des äußeren Teils gemessen werden. Die Dimensionen und Zusammensetzungen der beiden Teile und Sinterbedingungen werden so bestimmt, um in angemessener Weise die Carburierung, und die Ausdehnung von jedem Teil in einer solchen Weise zu fördern oder zu inhibieren, daß die Interferenz zwischen beiden Teilen, die anhand der dilatometrischen Kurven abgeschätzt wird, zwischen ungefähr 60 µm bis 200 µm, zumindest zeitweise im Bereich von ungefähr 750°C oder oberhalb, liegt.
Nachfolgend sind die Fälle erläutert, bei denen das äußere Teil aus einem Grünpreßling besteht, das innere Teil aus einem Grünpreßling besteht oder beide Teile aus einem Grünpreßling bestehen. Bei der vorliegenden Anmeldung bezieht sich der Begriff "Stahl" im allgemeinen auf reines Eisen, Kohlenstoffstahl, Legierungsstahl und andere eisenhaltige Metallmaterialien, die im wesentlichen nicht-porös oder dicht sind wie Ingot, d. h. Schmelzmetall, und ein Stahl kann durch Formen (z. B. Bearbeiten, Schmieden, Spanen etc. von Ingotstahl) hergestellt werden. Bei der Beschreibung der chemischen Zusammensetzung und anderer bezieht sich die Einheit "%" auf Gew.-%, soweit nichts anderweitig angemerkt ist.
(A) Herstellen des äußeren Teils als Grünpreßling
Wenn das äußere Teil aus einem Grünpreßling und das innere Teil aus Stahl oder einem Sinterpreßling, das in das äußere Teil zum Verbinden eingefügt wird, gesintert werden, um eine hohe Verbindungsfestigkeit in dem erhaltenen Kompositteil zu erhalten, ist es notwendig, diese nicht nur durch Fixierungskräfte aufgrund einer bloßen Schrumpfpassung (shrink fit) zu verbinden, sondern ebenfalls durch Festphasendiffusion der Legierungskomponenten, indem in einem Zustand, bei dem die Verbindungsoberflächen der beiden Bauteile ausreichend miteinander in Kontakt stehen, gesintert wird. Was für diesen Zweck zunächst wichtig ist, ist die Paß-Toleranz (fitting clearance) (d. h. die Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Bohrungsbereich des äußeren Teils und des Außendurchmessers des Schaftbereichs oder Aufnahmebereichs des inneren Teils) beim Zusammenfügen der beiden Verbindungsbereiche, und es ist bevorzugt, das innere Teil durch Druck einzufügen, indem das Loch des äußeren Teils, das der Grünpreßling ist, kleiner gewählt wird (für einen Preßsitz). Je größer die Interferenz ist, desto größer ist der Kontaktgrad zwischen den beiden Bauteilen. Um ein Auseinanderbrechen des Grünpreßlings, der vor dem Sintern eine niedrige Festigkeit aufweist, zu vermeiden, ist es notwendig, die Interferenz (d. h. die Minus- Paßtoleranz) kleiner zu wählen als im Fall von zwei Grünpreßlingen, die eine Pufferwirkung haben, d. h. innerhalb von 60 µm, vorzugsweise innerhalb von 30 µm. Im Falle eines durchgehenden Einfügens (through fitting) sollte der Abstand (Paßtoleranz) so klein wie möglich sein, vorzugsweise 5 µm oder weniger. Daher wird die Paßtoleranz im Bereich von -60 bis +5 µm, vorzugsweise -30 bis +5 µm, gewählt.
Die nächsten Faktoren sind die Art der Atmosphäre für das Sintern und die Beziehung zwischen der Atmosphäre und der Art des Pulverschmiermittels, das in den Grünpreßling eingemischt wird. Die Einzelheiten werden unten beschrieben.
Im allgemeinen wird als Sinteratmosphäre für eisenhaltige Legierungen häufig ein raffiniertes exothermes Gas (refined exothermic gas) verwendet, das durch Denaturieren von natürlichem Gas oder Kohlenwasserstoffen der Methanreihe hergestellt wird, da diese sich für Fe-C-Legierungen mit hohem Kohlenstoffanteil eignen und es keine besondere abweisende Eigenschaft gibt und Zinkstearat wird üblicherweise als das Pulverschmiermittel verwendet.
Verwendet man allerdings eine solche Atmosphäre, d. h. denaturiertes Butangas (butane denatured gas) oder dergleichen (beim Sintern) für einen Verbundwerkstoff aus einem Grünpreßling, der im äußeren Teil verwendet wird, und Stahl oder einem Sinterpreßling, der im inneren Teil verwendet wird, wandert Kohlenstoff (oder eine carburierende Komponente) in der Atmosphäre möglicherweise von der Oberfläche des Grünpreßlings in die Poren hinein, um eine Carburierungsreaktion hervorzurufen, was den Grünpreßling ein wenig expandieren läßt. Wenn zugleich Zink im Grünpreßling vorhanden ist, wirkt eine Spur davon als Katalysator für diese Reaktion, um somit den Ausdehnungsgrad weiter zu erhöhen. Aufgrund einer solchen Ausdehnung wird der Kontakt zwischen dem Grünpreßling und dem Stahl unzureichend und die Verbindungsfestigkeit wird erniedrigt.
Daher ist es als Gegenmaßnahme notwendig, beim Atmosphärengas zu einem nicht carburierenden Gas zu wechseln. In diesem Fall wird auch aus ökonomischen Gesichtspunkten eine annähernd inerte Stickstoffatmosphäre oder eine Atmosphäre, die im wesentlichen aus Stickstoffgas besteht, unter verschiedenen nicht carburierenden Gasen besonders bevorzugt. Alternativ dazu wird der Grünpreßling des äußeren Teils so hergestellt, daß er im wesentlichen kein Zink enthält. Wenn ein Pulverschmierstoff verwendet wird, wird es weiterhin bevorzugt, ein zinkfreies Schmiermittel wie Lithiumstearat, andere Metallstearate als Zink oder Acra-Wachs (Markenname eines Produktes, das aus Ethylenbisstearinsäureamid (C17H36CONH)2(CH2)2) besteht, zu verwenden, um die Ausdehnung zu verringern.
In dem Fall, daß das innere Teil ein Sinterpreßling ist, der die Wirkung der carburierenden Atmosphäre im gleichen Maß wie der Grünpreßling des äußeren Teils erfährt, findet die Ausdehnung aufgrund der Carburierung in beiden Teilen statt. Daher kann, selbst wenn sie in einer carburierenden Atmosphäre gesintert werden, das äußere Teil relativ durch den intrinsischen Schrumpf des Grünpreßlings schrumpfen, solange nicht der Grünpreßling des äußeren Teils Zink enthält. Als Folge davon wird ein gewisses Maß an Verbindungsfestigkeit erhalten.
Das übliche Sintern ist ein Festphasensintern, wenn jedoch das Sintern zu einem Zustand fortschreitet, in dem teilweise eine flüssige Phase ausgebildet wird, wird die Diffusionsbindung weiter gefördert. Daher ist es zur Herstellung von Komponenten von Verbundwerkstoffen bevorzugt, sie zu einem Zustand zu sintern, bei dem eine flüssige Phase gebildet wird. In einem solchen Fall gibt es keine Bedenken bezüglich Erosion oder Deformation, wenn die Erzeugung einer flüssigen Phase innerhalb von 5% liegt. Allerdings wird bevorzugt, sie innerhalb von 3% zu halten, um die Dimensionsgenauigkeit des Sintererzeugnis in einem vorteilhaften Zustand zu behalten.
Es ist nicht notwendig, die chemische Zusammensetzung des äußeren Teils besonders zu begrenzen, da die Anforderungen für das äußere Teil einfach darin bestehen, daß das Ausmaß der thermischen Ausdehnung während des Sinterns kleiner ist als das des inneren Teils. Daher kann es aus reinem Eisen oder aus der im wesentlichen selben Zusammensetzung sein wie das innere Teil. Alternativ dazu können, wenn erforderlich, geeignete Metallkomponenten hinzugefügt werden, soweit wie das Ausmaß der thermischen Ausdehnung nicht gegenüber der des inneren Teils erhöht wird.
(B) Herstellen des inneren Teils als Grünpreßling
Wenn das innere Teil aus einem Grünpreßling in das äußere Teil aus Stahl oder einem Sinterförmling eingepaßt und zum Verbinden gesintert wird, um eine hohe Verbindungsfestigkeit in dem so erhaltene Verbundbauteil zu haben, ist es zunächst erforderlich, wie im Falle, daß das äußere Teil aus einem Grünpreßling hergestellt wird, dieses nicht nur durch Fixierungskräfte aufgrund der bloßen Schrumpfpassung zu binden, sondern ebenfalls durch Festphasendiffusion der Legierungskomponenten, indem man bei einem ausreichenden Kontakt zwischen den Verbindungsoberflächen der beiden Bauteile sintert. Was daher wichtig ist, ist die Paßtoleranz (d. h. die Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Lochbereiches des äußeren Teils und dem Außendurchmesser des Schaftbereiches oder des Einfügebereiches des inneren Teils) beim Zusammenfügen der beiden sich miteinander verbindenden Bereiche, und es wird bevorzugt, das innere Teil in das Loch des äußeren Teils unter Druck einzufügen, wobei das innere Teil, das der Grünpreßling ist, etwas größer gewählt wird (für das Interferenz-Fitting).
Je größer die Interferenz ist, desto höher ist der Kontaktgrad zwischen den beiden Bauteilen. Um ein Auseinanderbrechen des Grünpreßlings zu vermeiden, der eine niedrige Festigkeit vor dem Sintern aufweist, ist es allerdings notwendig, die Interferenz kleiner als im Fall von zwei Grünpreßlingen, die eine Pufferwirkung aufweisen, zu wählen, zumindest innerhalb von 40 µm, vorzugsweise innerhalb von 30 µm. Im Fall von durchgehendem Einfügen (through fitting) sollte der Abstand so klein wie möglich sein, vorzugsweise 5 µm oder kleiner. Deshalb wird die Paßtoleranz im Bereich von -40 bis +5 µm, vorzugsweise -30 bis +5 µm gewählt.
Weitere wichtige Faktoren sind das Dimensionsverhalten (Ausdehnung, Schrumpf) der Teile beim Sintern. Die Einzelheiten werden nachfolgend beschrieben.
Eine Festphasendiffusion findet in eisenhaltigen Metallen bei hohen Temperaturen von ungefähr 750°C oder höher statt, und wenn der Ausdehnungsgrad des Grünpreßlings in diesem Temperaturbereich größer wird als der Ausdehnungsgrad des Stahls oder Sinterpreßlings, zieht das äußere Teil aus Stahl oder der Sinterpreßling relativ gesehen das innere Teil aus dem Grünpreßling fest, so daß die beiden Bauteile in festem Kontakt miteinander stehen. In diesem Zustand werden das Sintern des Grünpreßlings und die Festphasendiffusion von Legierungskomponenten gefördert, und die beiden Teile werden zu einem Körper vereinigt, und es wird eine hohe Verbindungsfestigkeit erhalten.
Da der Grünpreßling beim Sinterprozeß aufgrund der Veränderung des Abstands zwischen Pulverpartikeln verdichtet wird (oder schrumpft), d. h. Zusammenschließen zur Porenbildung und Verlust von Poren, ist der Grad der thermischen Ausdehnung beim gewöhnlichen Sintern allerdings prinzipiell kleiner verglichen mit dem von Stahl oder Sintermaterialien derselben Zusammensetzung. Daher schrumpft das innere Teil (Grünpreßling) relativ zum äußeren Teil, was bewirkt, daß der Kontakt mit dem äußeren Teil (Stahl oder Sinterpreßling) gelockert wird, so daß die Verbindungsfestigkeit erniedrigt wird.
In der vorliegenden Erfindung werden daher Maßnahmen bereitgestellt, um in der Hochtemperaturregion von 750°C, vorzugsweise 800°C oder mehr, den Grad der thermischen Ausdehnung des Grünpreßlings stärker zu erhöhen als den des Stahls oder Sintermaterials, so daß der Stahl oder der Sinterpreßling und der Grünpreßling miteinander während des Sinterns in Kontakt stehen, um die Verbindungsfestigkeit zu erhöhen. Solche Maßnahmen schließen ein, wie speziell unten beschrieben, (1) die Verwendung des sogenannten "Kupfer- Wachstumsphänomens" beim Sintern von eisenhaltigen Grünpreßlingen, (2) höhere Gehalte von 0,2% oder mehr an Kohlenstoff (Graphit) im Grünpreßling als der Kohlenstoffgehalt im Stahl oder dem Sinterpreßling, und (3) Sintern in einer carburierenden Atmosphäre unter Verwendung eines Grünpreßlings, zu dem Zink (vorläufig) zugefügt wird. Üblicherweise ist das Sintern ein Festphasensintern, falls man allerdings zu einem Zustand sintert, daß teilweise eine flüssige Phase gebildet wird, wird das Diffusionsverbinden weiter gefördert. Daher ist es nützlich, das Sintern so zu steuern, daß eine Erzeugung einer flüssigen Phase von innerhalb 5%, vorzugsweise von innerhalb 3% auftritt.
Das "Kupfer-Wachstumsphänomen", das auftritt, wenn ein Grünpreßling, bei dem Kupfer zum Eisen zugemischt wird, gesintert wird, ist das Phänomen, daß Kupfer in das Eisengitter einwandert, um dieses zu expandieren, und diese Ausdehnung gleicht den Schrumpf durch das Sintern aus, so daß der Grad der Ausdehnung des Grünpreßlings in dem Hochtemperaturbereich größer ist als der von Stahl und Sintermaterialien. In diesem Fall ist die Ausdehnung durch das Kupfer sehr groß oberhalb des Schmelzpunktes von Kupfer (d. h. oberhalb von 1.083°C). Diese Wirkung ist beträchtlich, wenn das Kupfer in einem Gehalt von 1% oder mehr zugemischt wird. Es wird bevorzugt, 2% oder mehr Kupfer hinzuzumischen, um ein Diffusionsverbinden zu erzielen, indem ein ausreichender Kontakt zwischen den beiden Teilen aufrecht erhalten wird. Diese Wirkung variiert neben dem Zumischungsgehalt des Kupfers selbst abhängig von anderen Legierungsbestandteilen. Zum Beispiel wirken Aluminium, Schwefel und Lithium als Verstärker der Ausdehnung, während Bor, Kohlenstoff und Phosphor die Ausdehnung unterdrücken. Daher kann die Ausdehnung zu einem gewünschten Grad gesteuert werden, indem die Zusammensetzung in geeigneter Weise ausgewählt wird.
Die Wirkung und Effekte der Erhöhung des Kohlenstoffgehalts des Grünpreßlings sind wie folgt.
Bei dem Prozeß, bei dem der Grünpreßling zum Expandieren aufgeheizt wird, wird, falls das Sintern von Eisen beginnt, der Grad der thermischen Ausdehnung durch den Schrumpfgrad aufgrund des Sinterns ausgeglichen. Da Kohlenstoff den Sintervorgang des Eisens verzögert, ist allerdings der Schrumpf langsamer, wenn der Graphitgehalt höher ist, so daß der Ausdehnungsgrad zunimmt. Darüber hinaus wandert der Kohlenstoff in das Eisengitter ein und diffundiert. Falls Kohlenstoff nur in das Eisen diffundiert, nimmt daher die Gitterkonstante des Eisens zu und der Ausdehnungsgrad nimmt insgesamt zu. Weiterhin wird der Umwandlungspunkt von α-Eisen zu γ-Eisen, der durch Temperaturanstieg induziert wird und zum Schrumpfen führt, zu niedrigeren Temperaturen verschoben, wenn der Kohlenstoffgehalt höher ist. Da der Ausdehnungskoeffizient in der γ-Phase größer ist als in der α-Phase, ist die Transformation von der α-Phase zur γ-Phase schneller, wenn der Kohlenstoffgehalt im Grünpreßling größer wird. Daher kann Schrumpf im Hochtemperaturbereich vermieden werden, und die Ausdehnung nimmt durch eine höheren Kohlenstoffgehalt des Grünpreßlings zu. Aufgrund dessen wurde empirisch gefunden, daß, wenn der Kohlenstoffgehalt um 0,2% oder mehr höher ist als der im Stahlmaterial, der Grad der thermischen Ausdehnung des Grünpreßlings im Hochtemperaturbereich höher als der des Stahlmaterials gemacht werden kann.
Diese Ausdehnung des inneren Teils durch Kohlenstoff kann ebenfalls durch die Verwendung eines carburierenden Gases in der Sinteratmosphäre verursacht werden. Da der Grünpreßling prinzipiell porös ist, kann das innere Teil aus dem Grünpreßling mit der Sinteratmosphäre in Kontakt treten und ein Carburieren aus dem Atmosphärengas heraus kann leicht zum Inneren des Grünpreßlings fortschreiten, während der Stahl oder der Sinterpreßling, der mit dem Atmosphärengas in Kontakt steht, im wesentlichen nur auf die äußerste Oberfläche beschränkt ist und kaum carburiert wird.
Wenn ein eisenhaltiger Grünpreßling, der wie im Fall (3) Zink enthält, in einer carburierenden Atmosphäre gesintert wird, zeigt Zink demgemäß, bezogen auf die Reaktion zwischen Eisen und Kohlenstoffkomponente in der Atmosphäre, eine katalytische Wirkung zur Aufnahme der Kohlenstoffkomponente aus der Atmosphäre in die Oberfläche des Eisens, selbst wenn dieses nur im geringen Maß enthalten ist, und der Grad der thermischen Ausdehnung während des Sinterns wird größer gemacht verglichen mit dem Fall, daß Zink überhaupt nicht enthalten ist. Zink kann einfach hinzugefügt werden, wenn es allerdings in Form von Zinkstearat, das zugleich als das für das Formen notwendige Pulverschmiermittel hinzugegeben wird, spart dies Arbeit und ist vorteilhaft, um das Zink gleichmäßig zu verteilen. Als carburierende Sinteratmosphäre ist raffiniertes exothermes Gas, das durch Denaturierung von natürlichem Gas oder Kohlenwasserstoffen der Methanreihe hergestellt wird, zum Beispiel carburierendes denaturiertes Butangas (butane denatured gas), geeignet.
Durch die Maßnahmen (1) bis (3) wird es bevorzugt, daß beide Teile in einem festen Kontaktzustand im gesamten Bereich von ungefähr 750°C oder höher während des Sinterprozesses gehalten werden, dies ist allerdings nicht absolut notwendig, sondern ein ausreichendes Binden ist möglich, wenn der Kontakt zumindest in einem Teil dieses Temperaturbereiches (für einen Zeitraum bis die Diffusionstiefe der Legierungskomponenten ungefähr 5 µm erreicht hat, obwohl die erforderliche Zeit mit der Temperatur varriert) besteht.
Das obige Verfahren zur Herstellung des Verbundbauteils aus einem äußeren Teil aus Stahl und einem inneren Teil aus einem Grünpreßling ist verwendbar zur Herstellung von Magnetventilen. Gemäß der obigen Methode kann ein vorteilhaftes Magnetventil durch die Schritte hergestellt werden: Ausbilden des Ventilschaftes, der dem äußeren Teil des Magnetventils entspricht, unter Verwendung von Stahlmaterial; Ausbilden des beweglichen Eisenkerns, das dem inneren Teil entspricht, unter Verwendung eines Grünpreßlings; und Zusammenfügen und Verbinden dieser durch Sintern.
(C) Herstellen beider Teile als Grünpreßling
Prinzipiell können Maschinenbauteile, die aus zwei Teilen zusammengesetzt sind, die aus einem Grünpreßling bestehen, gemäß dem Herstellungsverfahren, das im obigen Abschnitt (B) beschrieben ist, hergestellt werden. Hier wird allerdings eine vorteilhafte Ausführungsform beschrieben, bei der der Unterschied in der chemischen Zusammensetzung zwischen den beiden Teilen verringert werden kann, um die Gleichmäßigkeit des chemischen und mechanischen Verhaltens zu erhöhen.
Wenn ein eisenhaltiger Grünpreßling, der Zink enthält, selbst wenn dieses nur in geringem Maß enthalten ist, in einer carburierenden Atmosphäre gesintert wird, zeigt Zink eine katalytische Wirkung bezogen auf die Reaktion zwischen Eisen und Kohlenstoff in der Atmosphäre, und die Dimensionsveränderungen während des Sinterns sind größer verglichen mit dem Fall, wenn überhaupt kein Zink vorhanden ist. Obwohl Zinkstearat (Zn-St) im allgemeinen als Pulverschmiermittel, das zu dem Pulvermaterial gegeben wird, verwendet wird, gibt es auch verschiedene Schmiermittel, die kein Zink enthalten, wie andere Metallsalze (als Zink), speziell Lithiumstearat (Li-St) Acra-Wachs (Markenname) und dergleichen. Wenn das zu verwendende Pulverschmiermittel in passender Weise aus diesen ausgewählt wird, ist es daher möglich, einen Unterschied in den Dimensionsänderungen der Grünpreßlinge ohne wesentlichen Unterschied in den Eigenschaften des Sinterproduktes der beiden Grünpreßlinge zu erzielen.
Insbesondere bei Verwendung von Zinkstearat als Pulverschmiermittel für das Pulvermaterial des inneren Teils und eines zinkfreien Pulverschmiermittels für das Pulvermaterial des äußeren Teils werden die beiden ineinandergefügten Teile in einer carburierenden Atmosphäre gesintert. Gemäß dieser Vorgehensweise unterscheiden sich die Dimensionsveränderungen, selbst wenn der Gehalt von eingemischtem Graphit in beiden Teilen derselbe ist, und das Sintern wird in dem Zustand gefördert, wenn das äußere Teil das innere Teil festzieht. In diesem Fall ist es ebenfalls möglich, Zink als solches hinzuzufügen. Wenn es in Form von Zinkstearat zugefügt wird, das ebenfalls als das benötigte Pulverschmiermittel dient, spart dies Arbeit und ist für eine gleichmäßige Verteilung bevorzugt. Als Atmosphäre ist raffiniertes exothermes Gas, das durch Denaturieren von natürlichem Gas oder Kohlenwasserstoffen der Methanreihe hergestellt wird (zum Beispiel carburierendes denaturiertes Butangas) geeignet.
Wenn zwei eisenhaltige Grünpreßlinge gesintert werden, ist eine ausreichende Verbindung möglich, wenn beide Bauteile im Sinterprozeß zumindest in einem Teil des Hochtemperaturbereiches von ungefähr 750°C oder höher, vorzugsweise ungefähr 800°C oder höher, miteinander in Kontakt stehen, oder für einen Zeitraum, bis die Diffusionstiefe der Legierungskomponenten ungefähr 5 µm erreicht (obwohl die erforderliche Zeit mit der Temperatur variiert). Üblicherweise ist das Sintern ein Festphasensintern, allerdings wird das Diffusionsverbinden weiter gefördert, wenn man in einem Zustand sintert, bei dem teilweise eine flüssige Phase erzeugt wird. Ein solches Sintern wird dabei bevorzugt. In solch einem Fall bestehen bezüglich Erosion oder Deformation keine Bedenken, wenn die Erzeugung der flüssigen Phase innerhalb von 5% liegt. Bevorzugt wird, diese innerhalb von 3% zu halten, um die Dimensionspräzision der Sinterprodukte in einem vorteilhaften Zustand zu halten.
Die Wirkung des Zinks betrifft die Reaktion der Aufnahme der carburierenden Komponenten aus der Atmosphäre hinein in die Eisenoberfläche sowie die Ausbildung von Zementit. Wenn die Atmosphäre nicht carburierend ist, bewirkt selbst ein Grünpreßling, der Zink enthält, keine Wirkung oder einen Effekt, den Ausdehnungsgrad zu erhöhen. Wenn die Atmosphäre carburierend ist, nimmt der Grad der Ausdehnung des Grünpreßlings leicht zu, selbst wenn kein Zink enthalten ist. Da die Ausdehnung auf ähnliche Weise sowohl in dem äußeren als auch in dem inneren Teil auftritt, treten relative Unterschiede allerdings nicht auf, so daß keine Auswirkungen auf den Verbindungseffekt auftreten. Wenn beide Teile Zink enthalten und die Atmosphäre carburierend ist, nimmt der Grad der Ausdehnung zu, relative Unterschiede treten allerdings nicht auf, und das Ergebnis ist das gleiche.
Zur Verstärkung der Bindungsfestigkeit ist die Paßtoleranz, wenn die beiden Teile zusammengefügt werden, ebenfalls wichtig und es wird bevorzugt, das innere Teil etwas größer zu wählen (Preßsitz), um es unter Druck in das äußere Teil einzupassen. Je größer die Interferenz ist, desto größer ist der Kontaktgrad. Um allerdings zu verhindern, daß das äußere Teil, das vor dem Sintern eine niedrige Festigkeit aufweist, aufgrund von übermäßiger Zugspannung auseinanderbricht, sollte die Interferenz im Bereich von 100 µm gehalten werden. Im Fall von durchgängigem Einpassen (through fit) sollte der Abstand so klein wie möglich sein und sollte unter 5 µm gehalten werden. Daher wird die Paßtoleranz in einem Bereich von -100 bis + 5 µm gewählt.
(D) Verwendungen der Kompositkomponenten
Hauptmerkmale der Pulvermetallurgie bei der Herstellung von Maschinenteilen schließen eine effiziente und, billige Massenproduktion von gleichförmigen Produkten im Vergleich zum Spanen oder anderen maschinellen Verfahren ein, und schließen, als Vorteile der erhaltenen Produkte (gesinterte Bauteile) ebenfalls ein die Verwendung von Eigenschaften wie Ölimprägnierungsfähigkeit, niedriges Gewicht, etc., die Sinterlegierungen aufgrund der Porosität eigen sind, und die in Produkten, die aus Ingot- oder Schmiedematerialien hergestellt werden, nicht beobachtet werden. Allerdings wird das Schweißen von gesinterten Teilen und anderen Bauteilen üblicherweise als ungeeignet angesehen, da die porösen Eigenschaften sich negativ auswirken.
Die Gründe dafür sind wie folgt: Aufgrund der Porosität haben sie eine niedrigere Wärme- und elektrische Leitfähigkeit; das Gas verbleibt leicht in den Poren und es können Gaseinschlüsse in den geschweißten Bereichen auftreten; und Risse können während des Schweißens aufgrund von umwandlungsbedingten Spannungen wegen des hohen Kohlenstoffgehalts, der üblicherweise für Anwendungen in Maschinenteilen erforderlich ist, auftreten.
Nachfolgend wird eine Rotorpumpe mit innen verzahntem Rotor als ein Beispiel eines Maschinenbauteils mit einer Form, die geeignet ist, um durch Pulvermetallurgie hergestellt zu werden, beschrieben. Eine Rotorpumpe mit innenverzahntem Rotor hat einen inneren Rotor (äußeres Getriebe) und es besitzt ein innenseitiges Schaftloch, das eine relativ einfache Form hat, jedoch besitzt es ebenfalls einen außenseitigen Stift, der ein kompliziertes Profil hat, so daß das Pulververdichten geeigneter ist als ein maschineller Prozeß (Spanen des Stifts), um diesen zu bilden. Demgegenüber ist im Falle eines äußeren Rotors (Innengetriebe) ein Pulververdichten gewünscht, um das innenseitige Zahnprofil auszubilden, es ist allerdings nicht notwendig für den außenseitigen Bereich, der eine einfache Form aufweist. Eine gezahnte Riemenscheibe (toothed pulley) ist ebenfalls als ein Maschinenteil mit gleichen Eigenschaften wie ein innerer Rotor bekannt.
In Fällen von solchen Maschinenteilen wie den obigen werden komplizierte Bereiche durch Pulvermetallurgie hergestellt und andere Bereiche werden durch Schmiedematerialien hergestellt, die zum Schweißen geeignet sind, und wenn beide Bereiche fest miteinander verbunden sind, wird das gesamte Maschinenteil erhalten. Dies kann verwirklicht werden, indem das Herstellungsverfahren für Bauteile von Verbundwerkstoffen, das in den Abschnitten (A) und (B) oben erklärt wurde, verwendet wird, und Kompositbauteile mit einer erforderlichen Verbindungsfestigkeit können auf ökonomische Weise in großen Mengen produziert werden.
Im Fall einer gezahnten Riemenscheibe oder eines inneren Rotors kann dieses durch die zylindrische Oberfläche mit geeignetem Radius zentriert um den Rotationsschaft in das äußere Teil mit dem Zahnprofil und das innere Teil mit dem Schaftloch unterteilt werden. Das innere Teil wird aus schweißbarem Material wie Ingot- oder Schmiedestahl (nachfolgend insbesondere Stahlbauteil genannt) hergestellt, und das äußere Teil wird mittels Pulvermetallurgie zu einem Grünpreßling ausgebildet. Das innere Teil wird in den Grünpreßling eingepaßt und in diesem Zustand gesintert, wodurch das gesinterte Maschinenteil, das die Vorteilen der Pulvermetallurgie besitzt, und das mit dem Rotationsschaft oder einem Scheibenteil verschweißbar ist, erhalten wird.
Da der Sinterschritt des Grünpreßlings ebenfalls als Verbindungsschritt mit dem Stahlbauteil dient, wird der Herstellungsprozeß gemäß diesem Verfahren vereinfacht, und die Kosten sind niedriger. Im Falle eines Bauteil, bei dem das innere Teil eine komplizierte Form wie der äußere Rotor hat, wird dagegen der Grünpreßling durch Pulvermetallurgie als inneres Teil und das äußere Teil aus Schmiedematerial hergestellt.
Ein Beispiel von Schmiedematerialien, die zum Schweißen geeignet sind, ist der Kohlenstoffstahl S20C. Wenn dieser Kohlenstoffstahl für ein Teil verwendet wird, und falls das andere Teil aus einem eisenhaltigen Grünpreßling mit einer chemischen Zusammensetzung aus 1,5% Kupfer, 0,7% Graphit und dem Rest Eisen (Grünpreßling A) gebildet wird, dehnt sich der Grünpreßling während des Sinterns nicht so stark aus wie der Kohlenstoffstahl. Wenn demgegenüber ein eisenhaltiger Grünpreßling mit einer Zusammensetzung aus 3% Kupfer, 0,5% Graphit und dem Rest Eisen (Grünpreßling B) verwendet wird, dehnt sich dieser Grünpreßling stärker während des Sinterns aus als der Stahl.
Für den obigen Kohlenstoffstahl und die Grünpreßlinge A und B wird der Zustand der thermischen Ausdehnung durch Hitze in diesen Materialien unten beschrieben. Die Meßbedingungen sind: Aufheizen in einer Stickstoffatmosphäre bis auf 1.130°C mit einer Rate von 10°C pro Minute; Halten für 20 Minuten; und Abkühlen mit derselben Rate.
Zunächst ist im Falle des Kohlenstoffstahls, d. h. Schmelzmaterial, das durch Verfestigung von flüssigem Material erhalten wird, die Dimensionsveränderung einfach auf die thermische Ausdehnung und das Schrumpfen zurückzuführen, mit Ausnahme von denjenigen durch allotrope Umwandlung (Schrumpf, der die α-γ Umwandlung beim Aufheizprozeß begleitet und Ausdehnung, die die γ-α Umwandlung beim Abkühlungsprozeß begleitet), und wenn die Temperatur sich normalisiert, werden die ursprünglichen Dimensionen wiederhergestellt.
Andererseits, im Falle des Grünpreßlings A (der zu einem Sinterpreßling wird, wenn das Sintern fortschreitet), ist es ebenfalls so, daß Dimensionsveränderung aufgrund von Hitze und allotropischer Umwandlung wie im Falle eines Schmiedematerials auftreten. Allerdings wird er zusätzlich zur obigen, als ein charakteristisches Phänomen für das Sintern, aufgrund von Veränderungen der Abstände zwischen Pulverpartikeln durch Zusammenschließen zur Porenbildung und Verlust von Poren verdichtet (oder schrumpft). Dieser Schrumpf gleicht die durch Hitze hervorgerufene Ausdehnung aus und die Menge der Ausdehnung in der Hochtemperaturregion wird kleiner als die im Kohlenstoffstahl. Wenn ein inneres Teil, das aus Kohlenstoffstahl hergestellt wird, und ein äußeres Teil, das aus dem Grünpreßling A hergestellt wird, zusammengefügt und gesintert werden, zieht das äußere Teil das innere Teil während des Fortschreitens des Sinterns fest, so daß Diffusion auf beiden Teilen auftritt, um diese fest miteinander zu verbinden.
In diesem Fall ist es gewünscht, eine nicht carburierende Atmosphäre zu verwenden, um die geringste Ausdehnung zu vermeiden. Im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit wird es bevorzugt, eine Stickstoffgasatmosphäre, die nahezu inert ist, oder eine Atmosphäre, die im wesentlichen aus Stickstoffgas besteht, unter verschiedenen nicht carburierenden Gasen zu verwenden. Ohne Mittel, die die Ausdehnung fördern, schrumpft der Grünpreßling relativ mehr als das Stahlbauteil. Dieses Material kann aus reinem Eisen sein oder im wesentlichen dasselbe Material wie das Stahlbauteil des inneren Teils sein. Solange der Grad der thermischen Ausdehnung gegenüber dem des Stahlbauteiles nicht erhöht ist, können je nach Anwendung geeignete Legierungskomponenten enthalten sein.
Da der Kupfergehalt hoch ist, tritt dagegen im Falle des Grünpreßlings B das "Kupfer-Wachstumsphänomen", das charakteristisch für das Sintern von Eisen-Kupferlegierungen ist, deutlich auf, und der Schrumpf aufgrund des Sinterns wird ausgeglichen. Demzufolge ist der Ausdehnungsgrad im Hochtemperaturbereich gegenüber dem des Kohlenstoffstahls erhöht. Daher wird der Grünpreßling B als das innere Teil verwendet, und der Kohlenstoffstahl stellt das äußere Teil dar.
Bei dem Verfahren, den Ausdehnungsgrad des eisenhaltigen Grünpreßlings größer zu wählen als den des Stahlbauteils gibt es Variationen. Eine von diesen ist die Verwendung des "Kupfer- Wachstumsphänomens" in dem Grünpreßling B, und sein Effekt ist bedeutsam, wenn es in einem Kupfergehalt von 1% oder mehr eingemischt wird, und es ist bevorzugt, für den Zweck der Diffusionsbindung 2% oder mehr einzumischen, um einen ausreichenden Kontakt mit dem eingepaßten äußeren Teil zu erzielen. Wenn der Kohlenstoffgehalt der beiden Teile sich um 0,2% oder mehr unterscheidet, ist zudem der Ausdehnungsgrad des Teils mit hohem Kohlenstoffanteil (Grünpreßling) größer als der des Teils mit niedrigem Kohlenstoffanteil.
Selbst wenn der Kohlenstoffgehalt im Stahlbauteil und dem Grünpreßling der gleiche ist, wird der Ausdehnungsgrad des Grünpreßlings höher, wenn sie in einer carburierenden Atmosphäre gesintert werden. Wenn der Grünpreßling, der in der carburierenden Atmosphäre gesintert wird, darüber hinaus Zink enthält (Zinkstearat, etc.), wird der Ausdehnungsgrad des Grünpreßlings weiter erhöht. Dies liegt daran, daß Zink eine katalytische Wirkung selbst in einer geringen Menge zeigt und dazu dient, die carburierende Wirkung zu fördern. Wenn der Grünpreßling als inneres Teil in das äußere Teil eingepaßt wird, sind die obigen Mittel daher wirksame Maßnahmen, um das innere Teil auszudehnen.
Die Bildung einer flüssigen Phase durch das Sintern und die Paßtoleranz der beiden Teile sind dieselben, die in den obigen Abschnitten (A) und (B) aufgeführt sind, weshalb hier auf Details verzichtet wird.
Beispiele Effekte des hinzugegebenen Zinks beim Sintern von eisenhaltigen Grünpreßlingen
Zunächst wurde, in Gewichtsverhältnissen, ein pulverförmiges Ausgangsmaterial, das aus 1,5% Kupferpulver, 0,7% Graphit und dem Rest Eisen zusammengesetzt war, mit 1,0% Zinkstearat, bezogen auf das Ausgangsmaterial, als Pulverschmiermittel gemischt, um eine Pulvermischung P1 zu erhalten. Danach wurde der obige Prozeß wiederholt, mit der Ausnahme, daß das Pulverschmiermittel gegen Lithiumstearat im gleichen Zusammensetzungsverhältnis wie in der Pulvermischung D1 ersetzt wurde, um die Pulvermischung D2 zu erhalten. Beide Pulver wurden verdichtet und geformt, um einen Zinkstearat enthaltenden Grünpreßling C1 bzw. Lithiumstearat enthaltenden Grünpreßling C2 mit einer Grünpreßlingdichte von 6,7 g/cm3 zu erhalten.
Die Grünpreßlinge C1 und C2 wurden jeweils in Dilatometer eingebracht und in einer carburierenden Atmosphäre aus denaturiertem Butangas mit einer Rate von 10°C/min bis auf 1.130°C aufgeheizt, dort für 20 Minuten gehalten, und mit derselben Rate abgekühlt. Während dieses Zeitraumes wurden die Dimensionsveränderung der Grünpreßlinge relativ zu den Grünpreßlingen vor dem Aufheizen gemessen und auf diese Art von beiden die thermischen Ausdehnungskurven erhalten.
Der anfängliche Bereich der thermischen Ausdehnungskurven zeigte eine bloße thermische Ausdehnung der Proben und beide Grünpreßlinge C1 und C2 dehnten sich auf ähnliche Weise aus. Beim Beginnen des Sinterns setzte sich die Ausdehnung fort, während das Maß der thermischen Ausdehnung durch den Anteil der Ausdehnung, die das Sintern begleitet, ausgeglichen wurde. Zu diesem Zeitpunkt schien im Grünpreßling C1, der Zink enthielt, das Carburieren aus der Atmosphäre aufzutreten, so daß das Schrumpfen unterdrückt wurde und die thermische Ausdehnung größer wurde als im Grünpreßling C2 und die thermische Ausdehnungskurve des Grünpreßlings C1 stieg höher an.
Wenn der Grünpreßling C2 als das äußere Teil verwendet wird, mit dem Grünpreßling C1 als dem inneren Teil zusammengefügt wird und diese in einer carburierenden Atmosphäre gesintert werden, wird daher das Diffusionsverbinden durch das Sintern erzielt, da das innere Teil relativ zum äußeren Teil festgezogen wird, so daß sie fest miteinander vereinigt sind.
Beispiel 1
Zunächst wurde unter Verwendung des Kohlenstoffstahls S45C ein Zylinder mit 30 mm Außendurchmesser, 10 mm Innendurchmesser und 20 mm Länge als inneres Teil hergestellt.
Danach wurden 1,5% Kupferpulver und 0,7% Graphitpulver mit einem Eisenpulver vermischt, um ein Pulvermaterial zu erhalten.
Anschließend wurden 0,7% Acra-Wachs (Handelsname eines Ethylenbisstearinsäureamids (C17H26CONH)2(CH2)2) als Pulverschmiermittel zu diesem Pulvermaterial hinzugegeben, wodurch eine Pulvermischung hergestellt wurde. Durch Komprimieren dieser Pulvermischung wurde ein ringförmiger Grünpreßling in Form einer Scheibe als äußeres Teil mit einem Außendurchmesser von 40 mm, einem Innendurchmesser von 30 mm (Interferenz 30 µm), einer Dicke von 10 mm und einer Grünpreßlingdichte von 7,0 g/cm3 geformt.
Die beiden Teile wurden mittels Druck miteinander verbunden und in einer Stickstoffatmosphäre für 40 Minuten bei 1.130°C gesintert und integral miteinander verbunden. Der erhaltene Sinterkörper wurde in eine Materialtestapparatur überführt und das außenseitige Teil wurde auf einem Block abgestützt, während das innenseitige Teil zur Durchführung von Bruchtests belastet wurde. Die Verbindungsfestigkeit (bonding strenght) beider Teile betrug als Ergebnis 120 MPa.
Beispiel 2
Das Material des inneren Teils aus Beispiel 1 (Kohlenstoffstahl) wurde gegen einen Stahl SCM415 für die strukturelle Verwendung bei Maschinen ausgetauscht und das Pulvermaterial zur Bildung des Grünpreßlings des äußeren Teils wurde gegen ein teilweise diffusionsanlegiertes Pulver (diffused alloy powder), das aus 1,5% Kupfer, 4% Nickel, 0,5% Molybdän und den Rest Eisen bestand (hergestellt und vertrieben von Hoeganaes AB unter dem Markennamen "Distaloy AE"), ausgetauscht. Das Pulverschmiermittel war, wie in Beispiel 1, 0,7% Acra-Wachs. Die beiden Teile wurden auf dieselbe Art wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Interferenz zu 20 µm geändert wurde, und daß sie unter Druck zusammengefügt und für 115 Minuten bei 1.195°C in einer Atmosphäre aus dissoziiertem Ammoniakgas gesintert wurden und integral verbunden wurden. Das gesamte Sinterprodukt wurde durch denselben Zerstörungstest wie in Beispiel 1 untersucht und die Verbindungsfestigkeit zwischen den beiden Teilen betrug 200 MPa.
Beispiel 3
Das Material des inneren Teils war dasselbe wie in Beispiel 2 (SCM415), jedoch wurde das Pulvermaterial für die Bildung des Grünpreßlings des äußeren Teils gegen eine Pulvermischung ausgetauscht, die erhalten wurde, indem 0,6% Graphit zu einem Legierungspulver zugegeben wurde, das eine Zusammensetzung aus 3% Nickel, 1,5% Molybdän und dem Rest Eisen besaß. Das Pulverschmiermittel war 0,7% Acra-Wachs und das innere Teil und das äußere Teil wurden wie in Beispiel 2 hergestellt und beide Teile wurden unter Druck bei einer Interferenz von 20 µm zusammengefügt. Sie wurden für 115 Minuten bei 1.195°C in einer Atmosphäre aus dissoziiertem Ammoniumgas gesintert und integral miteinander verbunden. Das gesinterte Produkt wurde mit demselben Zerstörungstest wie in Beispiel 1 untersucht und die Verbindungsfestigkeit der beiden Teile betrug 200 MPa.
Vergleichsbeispiel 1
Das Herstellungsverfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß, um das äußere Teil und das innere Teil zu erhalten, das Pulverschmiermittel gegen 0,7% Zinkstearat ausgetauscht wurde, und die Sinteratmosphäre durch ein carburierendes denaturiertes Butangas ersetzt wurde. Beide Teile wurden auf ähnliche Weise ineinandergefügt und gesintert. Allerdings wurde das gesinterte Produkt teilweise nicht zwischen den Kontaktoberflächen der beiden Teile verbunden und wies eine niedrigere Festigkeit auf.
Vergleichsbeispiel 2
Das Herstellungsverfahren von Vergleichsbeispiel 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass Acra-Wachs (Handelsname) als Pulverschmiermittel verwendet wurde. Das Sinterprodukt war verbunden, jedoch war die Verbindungsfestigkeit mit 40 MPa schwach.
Beispiel 4
Ein zylindrisches Innenteil mit einem Außendurchmesser von 30 mm, einem Innendurchmesser von 10 mm und einer Länge von 20 mm wurde unter Verwendung eines Sinterpreßlings, der aus 1,5% Kupfer, 0,7% Kohlenstoff und dem Rest Eisen bestand, und eine gesinterte Dichte von 7,0 g/cm3 besaß, hergestellt.
Danach wurde ein Pulvermaterial hergestellt, indem 1,5% Kupferpulver und 0,7% Graphitpulver zu dem Rest Eisenpulver hinzugefügt wurden, und dieses mit 0,7% Acra-Wachs (Handelsname eines Ethylenbisstearinsäureamidproduktes (C17H35CONH)2(CH2)2), bezogen auf die Menge des Pulvermaterials, als Pulverschmiermittel vermischt wurde, um eine Pulvermischung zu erhalten. Diese Pulvermischung wurde verdichtet, um eine ringförmige Scheibe als äußeres Teil mit einem Außendurchmesser von 40 mm, einem Innendurchmesser von 30 mm (Interferenz = 30 µm), einer Dicke von 10 mm und einer Grünpreßlingdichte von 7,0 g/cm3 zu bilden.
Das zylindrische innere Teil und das ringförmige äußere Teil wurden zusammengefügt, indem das innere Teil in die Bohrung des äußeren Teils unter Druck eingefügt wurde und sie wurden bei 1.130°C für 40 Minuten in einer Stickstoffatmosphäre gesintert, wodurch sie miteinander verbunden wurden. Das gesinterte Produkt als eine Probe eines Komposit- Maschinenbauteils wurde einem Zerstörungstest unterworfen, um die Verbindungsfestigkeit zwischen dem äußeren Teil und dem inneren Teil zu messen, wozu eine Materialprüfvorrichtung verwendet wurde. In diesem Zerstörungstest wurde das äußere Teil auf einer Tafel der Prüfvorrichtung abgestützt und auf das innere Teil wurde eine Belastung in axialer Richtung angelegt, um die Verbindung zwischen den beiden Teilen zu brechen. Als Ergebnis der Messung betrug die Verbindungsfestigkeit 120 MPa.
In diesem Beispiel wird angenommen, daß der Bindung eine ausreichende Festigkeit verliehen wurde, da das äußere Teil (Grünpreßling) aufgrund der Verwendung einer nicht carburierenden Atmosphäre daran gehindert war, relativ zu expandieren.
Beispiel 5
Das Herstellungsverfahren von Beispiel 4 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß die Sinteratmosphäre durch ein denaturiertes Butangas ausgetauscht wurde, das carburierende Eigenschaften besaß. Das oben erhaltene gesinterte Produkt wurde dem Zerstörungstest von Beispiel 4 unterworfen und als Ergebnis der Messung betrug die Bindungsfestigkeit der beiden Teile 110 MPa.
Obwohl sich das äußere Teil (Grünpreßling) sicherlich aufgrund der Permeation der carburierenden Sinteratmosphäre durch das äußere Teil ausdehnte, dehnte sich in diesem Beispiel das innere Teil (Sinterkörper) ebenfalls in ähnlicher Weise aufgrund derselben Atmosphäre, die durch die verbindenden Poren durchtritt, aus. Demzufolge wurden die Ausdehnungsgrade gegeneinander ausgeglichen, was dazu führte, daß eine Bindungsfestigkeit, die annähernd gleich der von Beispiel 4 war, verliehen wurde.
Dieser Punkt ist der Unterschied zwischen dem Fall, der einen Sinterkörper verwendet und dem, der ein Schmiedematerial verwendet. Wenn das innere Teil aus einem Schmiedematerial hergestellt wird, tritt nämlich ein solcher Ausgleich, um eine ausreichende Bindungsfestigkeit zu erzielen, nicht auf, da es keine Poren gibt, die es der carburierenden Atmosphäre erlauben, in das innere Teil einzudringen.
Beispiel 6
Zur Bildung des inneren Teils wurde das Herstellungsverfahren von Beispiel 4 wiederholt, mit der Ausnahme, daß das innere Teil aus einer Sinterlegierung gebildet wurde, die aus 1,5% Kupfer, 4% Nickel, 0,5% Molybdän und dem Rest Eisen bestand, und eine Sinterdichte von 7,0 g/cm3 aufwies. Für das äußere Teil wurde das Herstellungsverfahren von Beispiel 4 ebenfalls wiederholt, jedoch mit der Ausnahme, daß das äußere Teil aus einer Pulvermischung gebildet wurde, die erhalten wurde, indem ein partiell diffusionsanlegiertes Pulver (das von Hoeganaes AB unter dem Markennamen "Distaloy AE" vertrieben wird), das aus 1,5% Kupfer, 4% Nickel, 0,5% Molybdän und dem Rest Eisen bestand, mit 0,7% Acra-Wachs, bezogen auf die Menge des teilweise diffusionsanlegierten Pulvers, vermischt wurde und die Interferenz zu 20 µm geändert wurde.
Das zylindrische innere Teil und das ringförmige äußere Teil wurden zusammengefügt, indem das innere Teil in die Bohrung des äußeren Teils unter Druck eingepaßt wurde, und sie wurden bei 1.195°C für 115 Minuten in einer Atmosphäre aus dissoziiertem Ammoniakgas gesintert, wodurch sie miteinander verbunden wurden. Das gesinterte Produkt wurde demselben Zerstörungstest wie in Beispiel 4 unterworfen. Als Ergebnis betrug die Verbindungsfestigkeit 200 MPa.
Dieses Beispiel und Beispiel 4 sind prinzipiell ähnlich in sofern, daß das äußere Teil (Grünpreßling) kein Zink enthielt, und daß die Sinteratmosphäre nicht carburierend war. In diesem Beispiel trat eine noch höhere Verbindungsfestigkeit aufgrund der Unterschiede in der Legierungszusammensetzung der beiden Teile, der Sintertemperatur und der Sinterzeit auf.
Beispiel 7
Zur Bildung des inneren Teils wurde das Herstellungsverfahren von Beispiel 4 wiederholt. Für das äußere Teil wurde das Herstellungsverfahren von Beispiel 4 ebenfalls wiederholt, jedoch mit der Ausnahme, daß das äußere Teil aus einer Pulvermischung gebildet wurde, die hergestellt wurde, indem ein Pulvermaterial, das durch Zumischen von 0,6% Graphitpulver in eine Pulverlegierung, die aus 2% Nickel, 1,5% Molybdän und dem Rest Eisen bestand, mit 0,7% Zinkstearat, bezogen auf die Menge des Pulvermaterials, vermischt wurde und die Interferenz wurde zu 20 µm verändert.
Das innere Teil und das äußere Teil wurden zusammengefügt, indem das innere Teil unter Druck in die Bohrung des äußeren Teils mit einer Interferenz von 20 µm eingefügt wurde, und sie wurden dann bei 1.195°C für 115 Minuten in einer Atmosphäre aus dissoziiertem Ammoniumgas gesintert, wodurch sie verbunden wurden. Das Sinterprodukt wurde demselben Zerstörungstest wie in Beispiel 4 unterworfen. Als Ergebnis wurde eine Verbindungsfestigkeit von 200 MPa erhalten.
Da ebenfalls dieses Beispiel eine Sinteratmosphäre verwendete, die keine carburierende Komponente enthielt, wurde das äußere Teil (Grünpreßling) trotz des im äußeren Teil enthaltenen Zinks nicht carburiert, und es trat eine hohe Verbindungsfestigkeit, ähnlich der von Beispiel 6, auf.
Vergleichsbeispiel 3
Zur Bildung des inneren Teils wurde das Herstellungsverfahren von Beispiel 5 wiederholt, um das gleiche innere Teil (gesinterte Material) zu erhalten. Für das äußere Teil wurde das Herstellungsverfahren von Beispiel 5 ebenfalls wiederholt, mit der Ausnahme, daß das Pulverschmiermittel gegen 0,7% Zinkstearat ausgetauscht wurde, wodurch ein äußeres Teil (Grünpreßling) mit einer Interferenz von 30 µm erhalten wurde.
Das innere Teil und das äußere Teil wurden zusammengefügt, indem das innere Teil in die Bohrung des äußeren Teils unter Druck mit einer Interferenz von 30 µm eingefügt wurde, und sie wurden bei 1.130°C für 40 Minuten in einer Atmosphäre aus denaturiertem Butangas, das carburierende Eigenschaften aufwies, gesintert. Das gesinterte Produkt wurde begutachtet, und es wurde gefunden, daß der größte Teil der Kontaktoberfläche zwischen dem inneren Teil und dem äußeren Teil nicht verbunden war. Seine Festigkeit war ebenfalls unzureichend.
Der Grund für das obige Ergebnis ist derjenige, daß das äußere Teil in erheblichem Maße aufgrund der katalytischen Wirkung des Zinks durch die Sinteratmosphäre carburiert wurde, so daß der Ausdehnungsgrad des äußeren Teils den des inneren Teils überstieg und das äußere Teil sich relativ zum inneren Teil ausdehnte. Anhand des Vergleichs der Ergebnisse dieses Vergleichsbeispiels und Beispiel 5 kann der synergistische Effekt, der durch die Verwendung einer carburierenden Atmosphäre und von Zink im Grünpreßling stammt, deutlich erkannt werden.
Beispiel 8
Unter Verwendung des Kohlenstoffstahls S45C wurde eine ringförmige Scheibe mit einem Außendurchmesser von 36 mm, einem Innendurchmesser von 30 mm und einer Dicke von 10 mm als äußeres Teil gebildet. Anschließend wurde ein Pulvermaterial hergestellt, indem 3% Kupferpulver und 5% Graphitpulver in den Rest Eisen eingemischt wurden und das Pulvermaterial mit 0,7% Acra-Wachs (Handelsname eines Ethylenbisstearinsäureamid- Produktes (C17H35CONH)2(CH2)2), bezogen auf die Menge des Pulvermaterials, als Pulverschmiermittel vermischt wurde, wodurch eine Pulvermischung erhalten wurde. Diese Pulvermischung wurde verdichtet, um einen zylindrischen Preßling mit einem Außendurchmesser von 30 mm (Interferenz = 20 µm), einem Innendurchmesser von 10 mm, einer Länge von 20 mm und einer Grünpreßlingdichte von 7,0 g/cm3 als inneres Teil zu bilden.
Das zylindrische innere Teil und das ringförmige äußere Teil würden zusammengefügt, indem das innere Teil in die Bohrung des äußeren Teils unter Druck eingefügt wurde, und sie wurden bei 1.130°C für 40 Minuten in einer Stickstoffatmosphäre gesintert, wodurch sie verbunden wurden. Das gesinterte Produkt als eine Probe eines Kompositmaschinenbauteils wurde einem Zerstörungstest zur Messung der Verbindungsfestigkeit zwischen dem äußeren Teil und dem inneren Teil unterzogen, wozu eine Materialprüfvorrichtung verwendet wurde. In diesem Zerstörungstest wurde das äußere Teil auf dem Tisch der Prüfvorrichtung abgestützt und eine Belastung wurde auf das innere Teil in axialer Richtung aufgebracht, um die Verbindung zwischen den beiden Teilen zu brechen. Als Testergebnis betrug die Verbindungsfestigkeit 120 MPa.
Beispiel 9
Unter Verwendung des Kohlenstoffstahls S38C wurde eine ringförmige Scheibe mit einem Außendurchmesser von 36 mm, einem Innendurchmesser von 30 mm und einer Dicke von 10 mm als äußeres Teil gebildet. Anschließend wurde ein Pulvermaterial hergestellt, indem 1,5% Kupferpulver und 0,7% Graphitpulver in den Rest Eisenpulver eingemischt wurden, das dann mit 0,7% Zinkstearat, bezogen auf die Menge des Pulvermaterials, als Pulverschmiermittel vermischt wurde, wodurch eine Pulvermischung erhalten wurde. Diese Pulvermischung wurde verdichtet, um einen zylindrischen Formling mit einem Außendurchmesser von 30 mm (Interferenz = 20 µm) einem Innendurchmesser von 10 mm, einer Länge von 20 mm und einer Grünpreßlingdichte von 7,0 g/cm3 als inneres Teil zu erhalten.
Das zylindrische innere Teil und das ringförmige äußere Teil wurden zusammengefügt, indem das innere Teil in die Bohrung des äußeren Teils unter Druck eingefügt wurde, und sie wurden bei 1.130°C für 40 Minuten in einer Stickstoffatmosphäre gesintert, wodurch sie miteinander verbunden wurden. Das gesinterte Produkt als eine Probe eines Kompositmaschinenteils wurde einem Zerstörungstest zur Messung der Verbindungsfestigkeit zwischen dem äußeren Teil und dem inneren Teil unterworfen, wobei eine Materialprüfvorrichtung verwendet wurde. In diesem Zerstörungstest wurde das äußere Teil auf dem Tisch der Prüfvorrichtung abgestützt und eine Last wurde auf das innere Teil in axialer Richtung angelegt, um die Verbindung zwischen den beiden Teilen zu brechen. Als Ergebnis wurde eine Verbindungsfestigkeit von 100 MPa erhalten.
Die Ergebnisse von Beispiel 8 und Beispiel 9 zeigen, daß eine zufriedenstellende Bindung durch Sintern in einer Stickstoffatmosphäre erzielt werden kann. Wenn diese Sinteratmosphäre durch eine carburierende Atmosphäre ersetzt wird, nimmt der Effekt zu.
Beispiel 10
Unter Verwendung des Kohlenstoffstahles S38C wurde eine ringförmige Scheibe mit einem Außendurchmesser von 36 mm, einem Innendurchmesser von 30 mm und einer Dicke von 10 mm als äußeres Teil gebildet. Anschließend wurde ein Pulvermaterial hergestellt, indem 1,5% Kupferpulver und 0,4% Graphitpulver mit dem Rest Eisenpulver vermischt wurden, das dann mit 0,7% Zinkstearat, bezogen auf die Menge des Pulvermaterials, als Pulverschmiermittel, vermischt wurde, wodurch eine Pulvermischung erhalten wurde. Diese Pulvermischung wurde verdichtet, um einen zylindrischen Formling mit einem Außendurchmesser von 30 mm (Interferenz = 30 µm), einem Innendurchmesser von 10 mm, einer Länge von 20 mm und einer Grünpreßlingdichte von 7,0 g/cm3 als inneres Teil zu bilden.
Das zylindrische innere Teil und das ringförmige äußere Teil wurden zusammengefügt, indem das innere Teil in die Bohrung des äußeren Teils unter Druck eingefügt wurde, und sie wurden bei 1.130°C für 40 Minuten in einer Atmosphäre aus denaturiertem Butangas, die carburierende Eigenschaften hatte, gesintert, wodurch sie miteinander verbunden wurden. Das gesinterte Produkt als eine Probe eines mechanischen Kompositbauteils wurde einem Zerstörungstest zur Messung der Verbindungsfestigkeit zwischen dem äußeren Teil unterworfen, wobei eine Materialprüfvorrichtung verwendet wurde. Bei dem Zerstörungstest wurde das äußere Teil auf dem Tisch der Prüfvorrichtung abgestützt und eine Belastung wurde auf das innere Teil in axialer Richtung angelegt, um die Verbindung zwischen den beiden Teilen zu brechen. Als Ergebnis betrug die Verbindungsfestigkeit 150 MPa.
Vergleichsbeispiel 4
Das Herstellungsverfahren von Beispiel 10 wurde wiederholt, um dieselben inneren und äußeren Teile zu erhalten, und auf ähnliche Weise zusammengefügte Teile wurden bei 1.130°C für 40 Minuten in einer Stickstoffatmosphäre gesintert.
Das gesinterte Produkt wurde demselben Zerstörungstest wie in Beispiel 10 unterworfen, wobei eine Materialprüfvorrichtung verwendet wurde. Die Verbindungsfestigkeit betrug als Ergebnis 10 MPa.
Beispiel 11
Eine ringförmige Scheibe mit einem Außendurchmesser von 36 mm, einem Innendurchmesser von 30 mm und einer Dicke von 10 mm wurde als äußeres Teil unter Verwendung eines Sinterpreßlings hergestellt, der aus 1,5% Kupfer, 0,7% Kohlenstoff und dem Rest Eisen bestand, und eine gesinterte Dichte von 7,0 g/cm3 aufwies.
Anschließend wurde ein Pulvermaterial hergestellt, indem 3,0% Kupferpulver und 0,5% Graphitpulver zu dem Rest Eisenpulver zugemischt wurden, und dieses wurde mit 0,7% Acra- Wachs (Handelsname eines Ethylenbisstearinsäureamid-Produktes; (C17H35CONH)2(CH2)2), bezogen auf die Menge des Pulvermaterials, als Pulverschmiermittel vermischt, um eine Pulvermischung zu erhalten. Diese Pulvermischung wurde verdichtet, um ein zylindrisches inneres Teil mit einem Außendurchmesser von 30 mm (Interferenz = 20 µm), einem Innendurchmesser von 10 mm und einer Länge von 20 mm und einer Grünpreßlingdichte von 7,0 g/cm3 als inneres Teil zu bilden.
Das zylindrische innere Teil und das ringförmige äußere Teil wurden zusammengefügt, indem das innere Teil in die Bohrung des äußeren Teils unter Druck eingefügt wurde, und sie wurden bei 1.130°C für 40 Minuten in einer Stickstoffatmosphäre gesintert, wodurch sie miteinander verbunden wurden. Das gesinterte Produkt als eine Probe eines mechanischen Kompositbauteils wurde einem Zerstörungstest zur Messung der Verbindungsfestigkeit zwischen dem äußeren Teil und dem inneren Teil unterworfen, wobei eine Materialprüfvorrichtung verwendet wurde. In dem Zerstörungstest wurde das äußere Teil auf dem Tisch der Prüfvorrichtung abgestützt, und eine Last wurde auf das innere Teil in axialer Richtung angelegt, um die Bindung zwischen den beiden Teilen zu brechen. Als Ergebnis der Messung betrug die Verbindungsfestigkeit 120 MPa.
Bei diesem Beispiel wird angenommen, daß eine ausreichende Verbindungsfestigkeit erhalten wurde, da die Ausdehnung des inneren Teils (Grünpreßling) durch das "Kupfer- Wachstumsphänomen" im Eisen-Kupfersystem verstärkt wurde, so daß das innere Teil während des Sintervorgangs fest gegen das äußere Teil gedrückt wurde.
Beispiel 12
Als äußeres Teil wurde eine ringförmige Scheibe mit denselben Dimensionen wie in Beispiel 1 unter Verwendung eines Sinterpreßlings hergestellt, der aus 1,5% Kupfer, 0,4% Kohlenstoff und dem Rest Eisen bestand und eine gesinterte Dichte von 7,0 g/cm3 aufwies.
Anschließend wurde ein Pulvermaterial hergestellt, indem 1,5% Kupferpulver und 0,7% Graphitpulver in den Rest Eisenpulver eingemischt wurde, und dieses wurde mit 0,7% Zinkstearat, bezogen auf die Menge des Pulvermaterials, als Pulverschmiermittel vermischt, um eine Pulvermischung zu erhalten. Diese Pulvermischung wurde verdichtet, um ein zylindrisches inneres Teil mit denselben Dimensionen wie in Beispiel 11 und mit einer Grünpreßlingdichte von 7,0 g/cm3 zu bilden.
Das zylindrische innere Teil und das ringförmige äußere Teil wurden zusammengefügt, indem das innere Teil in die Bohrung des äußeren Teils unter Druck eingefügt wurde, und sie wurden bei 1.130°C für 40 Minuten in einer Stickstoffatmosphäre auf ähnliche Weise wie in Beispiel 11 gesintert, wodurch sie miteinander verbunden wurden. Das gesinterte Produkt wurde demselben Zerstörungstest wie in Beispiel 11 zur Messung der Verbindungsfestigkeit unterworfen. Als Ergebnis betrug die Verbindungsfestigkeit 70 MPa.
In diesem Beispiel dehnte sich das innere Teil aufgrund des Unterschieds im Kohlenstoffgehalt zwischen dem äußeren und dem inneren Teil stärker aus. Das Ergebnis von Beispiel 11 und 12 zeigt, daß eine zufriedenstellende Bindung durch Sintern in einer Stickstoffatmosphäre hergestellt werden kann. Wenn diese Sinteratmosphäre gegen eine carburierende Atmosphäre ersetzt wird, wird der Effekt ausgeprägter.
Beispiel 13
Für das äußere Teil wurde das Herstellungsverfahren von Beispiel 12 wiederholt, um dieselbe ringförmige Scheibe zu erhalten.
Darüber hinaus wurde für das innere Teil das Herstellungsverfahren von Beispiel 12 wiederholt, mit der Ausnahme, daß das Pulverschmiermittel gegen dieselbe Menge Acra-Wachs ausgetauscht wurde, und daß die Interferenz auf 30 µm geändert wurde, wobei ein zylindrisches inneres Teil erhalten wurde.
Das zylindrische innere Teil und das ringförmige äußere Teil wurden zusammengefügt, indem das innere Teil in die Bohrung des äußeren Teils mit einer Interferenz von 30 µm unter Druck eingefügt wurde, und sie wurden bei 1.130°C für 40 Minuten in einer Atmosphäre aus denaturiertem Butangas gesintert, die carburierende Eigenschaften aufwies, wodurch sie miteinander verbunden wurden. Das gesinterte Produkt wurde demselben Zerstörungstest wie in Beispiel 11 zur Messung der Verbindungsfestigkeit unterworfen. Als Ergebnis betrug die Verbindungsfestigkeit 80 MPa.
Bei diesem Beispiel schließt der Effekt, der sich beim inneren Teil entwickelt, nicht nur den Unterschied des Kohlenstoffgehaltes der beiden Teile ein, sondern ebenfalls die Carburierung durch die Atmosphäre. Da letzteres sich ebenfalls auf dem äußeren Teil entwickelt (Sinterlegierung), indem die Atmosphäre in das innere Teil durch die verbindenden Poren durchdringt, wird die Ausdehnung aufgrund der Carburierung durch die Atmosphäre zwischen beiden Teilen ausgeglichen. Demzufolge nimmt die Verbindungsfestigkeit nur in geringem Maße zu.
Der obige Punkt ist der Unterschied zwischen dem Fall unter Verwendung eines gesinterten Materials und dem eines Schmiedematerials. Wenn das äußere Teil aus einem Schmiedemetall hergestellt wird, ist ein Eindringen der carburierenden Atmosphäre durch die Poren nicht möglich, und der Ausgleich der Ausdehnung, wie oben erwähnt, tritt nicht auf.
Beispiel 14
Für das äußere Teil wurde das Herstellungsverfahren von Beispiel 12 wiederholt, um die gleiche ringförmige Scheibe zu erhalten.
Für das innere Teil wurde ein Pulvermaterial hergestellt, indem 1,5% Kupferpulver und 0,4% Graphitpulver zu dem Rest Eisenpulver gemischt wurden, um dieselbe Zusammensetzung wie die des äußeren Teils zu erhalten, und dieses wurde mit 0,7% Zinkstearat, bezogen auf die Menge des Pulvermaterials, als Pulverschmierstoff vermischt, um eine Pulvermischung zu erhalten. Diese Pulvermischung wurde komprimiert, um ein zylindrisches inneres Teil mit denselben Dimensionen wie in Beispiel 13 und mit einer Grünpreßlingdichte von 7,0 g/cm3 zu bilden.
Das zylindrische innere Teil und das ringförmige äußere Teil wurden zusammengefügt, indem das innere Teil in die Bohrung des äußeren Teils mit einer Interferenz von 30 µm unter Druck eingefügt wurde, und sie wurden bei 1.130°C für 40 Minuten in einer Atmosphäre aus denaturiertem Butangas, die carburierende Eigenschaften aufwies, gesintert, wodurch sie miteinander verbunden wurden. Das gesinterte Produkt wurde demselben Zerstörungstest wie in Beispiel 11 unterworfen, um die Verbindungsfestigkeit zu messen. Als Ergebnis betrug die Verbindungsfestigkeit 120 MPa.
In diesem Beispiel wurde die Carburierung des inneren Teils durch die Sinteratmosphäre mittels der katalytischen Wirkung des Zinks, das im inneren Teil (Grünpreßling) enthalten war, jedoch nicht im äußeren Teil (gesintertes Material), beschleunigt, so daß sich das innere Teil relativ zum äußeren Teil während des Sinterns ausdehnte, wodurch sich die Verbindungsfestigkeit erhöhte.
Beispiel 15
Für das äußere Teil wurde das Herstellungsverfahren von Beispiel 12 wiederholt, um die gleiche ringförmige Scheibe zu erhalten.
Für das innere Teil wurde das Herstellungsverfahren von Beispiel 12 wiederholt, mit der Ausnahme, daß das Pulverschmiermittel gegen 0,7% Acra-Wachs, bezogen auf die Menge des Pulvermaterials, ausgetauscht wurde, und daß die Interferenz 20 µm betrug, um ein zylindrisches inneres Teil zu erhalten.
Das zylindrische innere Teil und das ringförmige äußere Teil wurden zusammengefügt, indem das innere Teil in die Bohrung des äußeren Teils mit einer Interferenz von 20 µm unter Druck eingefügt wurde, und sie wurden bei 1.130°C für 40 Minuten in einer Atmosphäre aus denaturiertem Butangas, die carburierende Eigenschaften aufwies, gesintert, wodurch sie verbunden wurden. Das gesinterte Produkt wurde demselben Zerstörungstest wie in Beispiel 11 unterworfen, um die Verbindungsfestigkeit zu messen. Die Verbindungsfestigkeit betrug als Ergebnis 150 MPa.
In diesem Beispiel erreichte die Verbindungsfestigkeit einen bemerkenswert hohen Grad durch die synergistischen Effekte der differierenden Kohlenstoffgehalte, wie in Beispiel 12 gezeigt, und der beschleunigten Carburierung mit Zink, wie in Beispiel 14 gezeigt.
Vergleichsbeispiel 5
Das Herstellungsverfahren von Beispiel 14 wurde wiederholt, um ein inneres Teil eines Grünpreßlings zu erhalten, und ein äußeres Teil aus einem gesinterten Material, die dieselben Materialqualitäten, Dimensionen, Interferenzen, etc., wie in Beispiel 14 hatten.
Das zylindrische innere Teil und das ringförmige äußere Teil wurden zusammengefügt, indem das innere Teil in die Bohrung des äußeren Teils unter Druck eingefügt wurden, und sie wurden bei 1.130°C für 40 Minuten in einer Stickstoffatmosphäre gesintert. Das gesinterte Produkt wurde demselben Zerstörungstest wie in Beispiel 11 zur Messung der Verbindungsfestigkeit unterworfen. Als Ergebnis betrug die Verbindungsfestigkeit 10 MPa.
Obwohl das innere Teil (Grünpreßling) Zink als einen Bestandteil des Pulverschmiermittels enthielt, wies die Sinteratmosphäre in diesem Fall keine carburierenden Komponenten auf. Daher trat keine Ausdehnung aufgrund von Carburierung auf. Darüber hinaus trat weder ein "Kupfer- Wachstumsphänomen" noch eine Ausdehnung durch unterschiedliche Kohlenstoffgehalte auf. Demzufolge standen die beiden Teile während des Sinterns miteinander nicht im innigen Kontakt. Es wird angenommen, daß dies der Grund ist, warum die Verbindungsfestigkeit nicht in einem ausreichenden Maß zunahm.
Vergleichsbeispiel 6
Das Herstellungsverfahren von Beispiel 14 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß das Pulverschmiermittel für das innere Teil gegen 0,7% Acra-Wachs ausgetauscht wurde, um ein inneres Teil aus einem Grünpreßling und ein äußeres Teil aus einem gesinterten Material zu erhalten, die gleiche Dimensionen und Interferenzen wie in Beispiel 14 hatten.
Das zylindrische innere Teil und das ringförmige äußere Teil wurden zusammengefügt, indem das innere Teil in die Bohrung des äußeren Teils mit einer Interferenz von 30 µm unter Druck eingefügt wurde, und sie wurden für 1.130°C für 40 Minuten in einer Stickstoffatmosphäre gesintert. Das gesinterte Produkt wurde demselben Zerstörungstest wie in Beispiel 11 zur Messung der Verbindungsfestigkeit unterworfen. Als Ergebnis betrug die Verbindungsfestigkeit 10 MPa.
In diesem Fall traten dieselben Gründe wie im Vergleichsbeispiel 5 auf, insoweit, daß weder ein "Kupfer- Wachstumsphänomen" noch eine Ausdehnung aufgrund differentieller Kohlenstoffgehalte auftrat. Die Ausdehnung aufgrund der Carburierung durch die Atmosphäre war ebenfalls nicht effektiv, da sie ohne die Gegenwart von Zink im Grünpreßling so klein war, daß sie durch die Ausdehnung des äußeren Teils ausgeglichen wurde.
Beispiel 17
Für die Herstellung eines gesinterten Getriebes mit einem schweißbaren Schaftlochbereich wurde die folgende Vorgehensweise angewandt.
Zunächst wurde ein Zylinder aus dem Kohlenstoffstahl S20C (18 mm Außendurchmesser, 10 mm Innendurchmesser, 12 mm Länge) als inneres Teil hergestellt. Anschließend wurde zu einem Pulvermaterial aus 1,5% Kupfer, 0,7% Graphit und dem Rest Eisen 0,7% Acra-Wachs (Handelsname) als Pulverschmiermittel zugefügt, und das erhaltene Pulvergemisch wurde zu einer ringförmigen Scheibe mit einem Außendurchmesser von 40 mm, einem Innendurchmesser von 18 mm (Interferenz: 30 µm), einer Länge von 12 mm und einer Grünpreßlingdichte von 7,0 g/cm3 geformt, wodurch das äußere Teil erhalten wurde.
Das innere Teil wurde unter Druck in das äußere Teil eingefügt und beide wurden für 40 Minuten in einer Stickstoffatmosphäre bei 1.130°C gesintert. Das gesinterte Produkt wurde in eine Materialprüfvorrichtung überführt und das äußere Teil auf dem Tisch abgestützt, während das innere Teil belastet wurde, um einen Zerstörungstest durchzuführen. Die Verbindungsfestigkeit beider Teile betrug als Ergebnis 120 MPa.
Beispiel 18
Zur Herstellung eines Maschinenbauteils, dessen inneres Umfangsteil aus einem gesinterten Material besteht, das eine komplizierte Form hat, und dessen äußeres Umfangsteil aus einem schweißbaren Material besteht, wurde die folgende Vorgehensweise durchgeführt.
Zunächst wurde eine ringförmige Scheibe des Kohlenstoffstahls S20C (30 mm Innendurchmesser, 36 mm Außendurchmesser, 15 mm Dicke) als äußeres Teil hergestellt. Anschließend wurde ein Pulvermaterial erhalten, indem 3% Kupfer, 0,5% Graphit zum Rest Eisen gegeben wurde und dieses mit 0,7% Acra-Wachs vermischt wurde. Dieses wurde zu einem zylindrischen inneren Teil mit einer Grünpreßlingdichte von 7,0 g/cm3, einem Außendurchmesser von 30 mm (Interferenz: 10 µm), einem Innendurchmesser von 20 mm und einer Länge von 15 mm verdichtet.
Die beiden Teile wurden durch Druck ineinandergefügt (Interferenz-Fitting mit einer Paßtoleranz (Minuswert der Interferenz) von -10 µm) und für 40 Minuten bei 1.130°C in einer Stickstoffatmosphäre gesintert. Die Festigkeit des gesinterten Produktes wurde gemessen, und die Verbindungsfestigkeit der beiden Teile betrug 110 MPa.
Beispiel 19
Das Herstellungsverfahren von Beispiel 18 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß das Pulvermaterial zur Bildung des inneren Teils verändert wurde, um eine Zusammensetzung mit einem Verhältnis von 1,5% Kupfer, 0,7% Graphit und dem Rest Eisen zu erhalten, wodurch ein inneres Teil und ein äußeres Teil hergestellt wurden. Das innere Teil und das äußere Teil, die durch Druck ineinandergefügt wurden, wurden für 40 Minuten bei 1.130°C in einer Atmosphäre aus denaturiertem Butangas gesintert. Die Festigkeit des erhaltenen Sinterproduktes wurde gemessen, und die Verbindungsfestigkeit der beiden Teile betrug 110 MPa.
Beispiel 20
Es wurde dasselbe äußere Teil wie in Beispiel 18 hergestellt. Weiterhin wurde unter Verwendung einer Pulvermischung, die erhalten wurde, indem 0,7% Zinkstearat als Pulverschmiermittel zu einem Pulvermaterial mit der Zusammensetzung aus 1,5% Kupfer, 0,4% Graphit und dem Rest Eisen hinzugefügt wurde, ein inneres Teil erhalten, indem es in einen Zylinder mit einer Grünpreßlingdichte von 7,0 g/cm3, einem Außendurchmesser von 30 mm (Interferenz: 20 µm), einem Innendurchmesser von 20 mm und einer Länge von 15 mm verdichtet wurde.
Dieses innere Teil wurde mit dem äußeren Teil unter Druck bei einer Interferenz von 20 µm zusammengefügt und für 40 Minuten bei 1.130°C in einer Atmosphäre aus denaturiertem Butangas gesintert. Die Festigkeit des erhaltenen Sinterlings wurde gemessen, und die Verbindungsfestigkeit der beiden Teile betrug 120 MPa.
Die Festigkeit, die in jedem der obigen Beispiele erhalten wurde, war als Wert für Maschinenbauteile ausreichend, und das Ziel, ein Teil aus einer Sinterlegierung und ein Teil aus eines schweißbaren Materials miteinander zu vereinigen, wurde erfolgreich erreicht.
Aufgrund der Offenbarung der vorliegenden Erfindung ist ersichtlich, wie die Bereiche für die Auswahl von Legierungszusammensetzungen in jedem Teil des Kompositbauteils und geeignete Kombinationen des Pulverschmiermittels und der Sinteratmosphäre sind. Demzufolge können dann die Verbindungsfestigkeit der beiden Teile des Kompositbauteils beträchtlich verbessert werden.
Da weiterhin eine Verbindung mit ausreichender Festigkeit bei Verwendung von üblichen Sinterbedingungen hergestellt werden kann, verringern sich die Herstellungskosten und die Produktivität erhöht sich.
Da die Carborisierung von Stahlmaterialien nicht notwendig ist, werden die Herstellungskosten und die Produktivität verbessert. Es ist ebenfalls möglich, die beiden Teile zu verbinden, selbst wenn ein Material als Ausgangsmaterial verwendet wird, für das eine Carburierung unvorteilhaft ist oder das für eine Carburierungsbehandlung nicht geeignet ist. Dadurch wird der Anwendungsbereich der Kompositbauteile, die mittels Pulvermetallurgie erhalten werden, vergrößert.
Zudem ist es möglich, ein Kompositbauteil herzustellen, das im wesentlichen als ganzes gleichförmig ist.
Die Verbindung eines Teiles aus einem Grünpreßling und dem Stahlmaterial, das schweißbar ist, wird simultan in einem Vorgang des Sinterns und Legierens des Grünpreßlings vervollständigt, so daß gesinterte Maschinenbauteile mit der gewünschten Schweißfähigkeit auf ökonomische Weise hergestellt werden können.
Es sollte selbstverständlich sein, daß die Erfindung in keiner Weise auf die obigen Ausführungsformen beschränkt ist und daß Veränderungen davon vorgenommen werden können, ohne vom Bereich der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung eines Maschinenbauteils aus einem gesinterten eisenhaltigen Verbundwerkstoff, der umfaßt ein äußeres Teil mit einem Loch und ein inneres Teil mit einem Schaft (einer Welle), der (die) in das Loch des äußeren Teils eingefügt wird, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
Herstellen des äußeren Teils oder des inneren Teils als ein Grünpreßling aus eisenhaltigem Metallpulver und des anderen Teils als ein Grünpreßling aus eisenhaltigem Metallpulver, einem Sinterpreßling aus eisenhaltigem Metallpulver oder einem eisenhaltigen Schmelzmetall (mass of ferriferous molten metal),
Einfügen des Schaftes des inneren Teils in das Loch des äußeren Teils; und
Sintern des äußeren Teils und des inneren Teils, um das, äußere Teil und das innere Teil miteinander zu verbinden,
wobei das äußere Teil und das innere Teil so hergestellt werden, daß sie eine Paßtoleranz von ungefähr -60 bis +5 µm aufweisen, und,
wenn nur das äußere Teil als Grünpreßling hergestellt wird, das äußere Teil so hergestellt wird, daß es im wesentlichen zinkfrei ist und die Atmosphäre im Sinterschritt eine carburierende Atmosphäre ist, oder, daß das äußere Teil Zink enthält und die Atmosphäre im Sinterschritt eine im wesentlichen nicht carburierende Atmosphäre ist, und,
wenn das innere Teil als Grünpreßling hergestellt wird, das äußere und das innere Teil so hergestellt werden, daß nur das innere Teil Zink enthält, und die Atmosphäre im Sinterschritt eine im wesentlichen carburierende Atmosphäre ist.
2. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei sowohl das äußere Teil als auch das innere Teil als Grünpreßling hergestellt werden.
3. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei nur das äußere Teil als Grünpreßling hergestellt wird.
4. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei nur das innere Teil als Grünpreßling hergestellt wird und die Paßtoleranz des äußeren Teils und des inneren Teils ungefähr - 40 bis +5 µm beträgt.
5. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die im wesentlichen nicht carburierende Atmosphäre Stickstoffgas umfaßt.
6. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die im wesentlichen carburierende Atmosphäre raffiniertes exothermes Gas ist.
7. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, wobei das raffinierte exotherme Gas denaturiertes Butangas einschließt.
8. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das innere Teil als Grünpreßling hergestellt wird und 2 Gew.-% oder mehr Kupfer enthält.
9. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das innere Teil als Grünpreßling hergestellt wird und einen Kohlenstoffgehalt aufweist, der um 0,2% Gew.-% oder mehr höher ist als der des äußeren Teils.
10. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das andere Teil aus einem eisenhaltigen schweißbaren Schmelzmetall hergestellt wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines Maschinenbauteils aus einem gesinterten eisenhaltigen Verbundwerkstoff, der umfaßt ein äußeres Teil mit einem Loch und ein inneres Teil mit einem Schaft, der in das Loch des äußeren Teils eingefügt wird, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
Herstellen sowohl des äußeren Teils als auch des inneren Teils als Grünpreßling aus einem eisenhaltigen Metallpulver;
Einfügen des Schaftes des inneren Teils in das Loch des äußeren Teils; und
Sintern des äußeren Teils und des inneren Teils, um das äußere Teil und das innere Teil miteinander zu verbinden,
wobei das innere Teil und das äußere Teil so hergestellt werden, daß sie eine Paßtoleranz von ungefähr -100 bis +5 µm aufweisen,
das äußere Teil im wesentlichen zinkfrei ist, jedoch das innere Teil Zink enthält,
und die Atmosphäre im Sinterschritt eine im wesentlichen carburierende Atmosphäre ist.
12. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 11, wobei die im wesentlichen carburierende Atmosphäre raffiniertes exothermes Gas ist.
13. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 12, wobei das raffinierte exotherme Gas denaturiertes Butangas einschließt.
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