DE2054972B2 - Verfahren zur pulvermetallurgischen herstellung einer mehrteiligen form mit einem kanalartigen hohlraum und durch traenkmetall zusaetzlich verfestigten oberflaechen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulveniKMal lurgischen Herstellung einer mehrteiligen Form mn einem kanalartigen Hohlraum und durch Tränkmetall zusätzlich verfestigten Oberflächen, bei dem in einer Grundform MetallpuK er und Modelle aus Tränkmetall Huf eine über dem Schmelzpunkt des Tränkmetalls liegende Siniertemperatur erhitzt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Abänderung und Anwendungen dieses Verfahrens

Die Verwendung von Trankmetall bei der Herstellung von Sinterkörpern ist unter der Bezeichnung Sinter-Tränk-Verfahren bekannt geworden. Eine beispielhafte Anwendung des Sintcr-Tränk-Verfahrens kann der US-Patentschrift 2b 85 507 entnommen werden. Dort wird die pulvermelallurgische Herstellung tines Lagers beschrieben, wobei der gesinterte Lagerkörper einen zylindrischen Hohlraum umgibt und innerhalb des l.agerkörpers ein schraubenförmig gewundener, kanalartiger Hohlraum vorgesehen ist, der zur Aufnahme von der Lagerschmierung dienendem öl bestimmt ist. Der kanalartige Hohlraum endet blind, d. ru er ist allseilig von porösem Sintermalerial umgeben, und das Öl dringt durch Poren im Sinterkörper in den Hohlraum ein und aus.

Zur Herstellung dieses bekannten Sinterkörper*» wird zentral in den Hohlraum einer Druckform ein z\ hndrischer Stempel eingesetzt, um diesen Stempel herum eine erste Lage Metallpulver eingebracht, darauf eine vorgeforinte, den Stempel umgebende Spirale aus Tränkmetall gelegt, der vei bleibende Hohlraum der Druckform mit weiterem Metallpulver ausgeformt, das Metallpulver unter Druckeinwirkung verdichtet, der verdichtete Körper aus der Druckform entnommen und

ίο anschließend gesintert. Bei der Sinterung *ird über den Schmelzpunkt des Tränkmetalls hinaus erwärmt, so daß das Trankmetall schmilzt und vollständig vom umgebenden Metallpulver aufgesaugt wird, wodurch ein dem ursprünglichen spiralförmigen Modell entsprechender Hohlraum zurückbleibt, der von durch Tränkmetall verstärkten Bereichen umgeben ist.

Im Rahmen der F.rfindung ist erkannt worden, daß dieses bekannte Sinter-Tränk-Verfahren vorteilhaft für die Herstellung von Formen mit durchgehenden Kanälen, durch welche ein Wärmeübertragungsmedium geleitet werden soll.geeignet ist.

Die Herstellung von Produkten mittels einer Form verlangt häufig eine Regelung der Temperatur der Form, beispielsweise um die Form zu erhitzen, die Form auf cner konstanten Temperatur zu halten, um die Form mit dem herzustellenden Gegenstand plötzlich abzuschrecken oder langsam abzukühlen. Hierzu ist es bekannt. Kanäle in der Form vorzusehen, durch welche Kuhlmedium gefuhrt und dadurch die Temperatur der Form geregelt wird. Solche Kanäle werden üblicherweise als Bohrungen ausgeführt, weshalb solche Kanäle innerhalb der Form im allgemeinen in gerader Richtung verlaufen, was häufig zu einer unbefriedigenden Wärmeübertragung führt. Nach einem weiteren Vorschlag sind die Kanäle aus dem Oberflächenbereich der fertigen Form hcrausgefräst worden, was ebenfalls eine spanabhebende Nachbehandlung des Formteils erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches, im wesentlichen einstufiges Verfahren /ur piilvermetallurgischen Herstellung von zweiteiligen Formen, welche zusammen einen Forniraum umschließen und in einem oder jedem Formteil einen durchgehenden, mehrfach abgebogenen Kanal zum Durchleiten eines Wärmeübertragungsmediums aufweisen, anzugeben.

Ausgehend von einem Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung einer mehrteiligen Form mit einem kanalartigen Hohlraum und durch Tränkmetall /tisätzlieh verfestigte Oberflächen, bei dem in einer Grundform Metallpulver und Modelle aus Tränkmetall auf eine über dem Schmcl/punki des Tränkmetalls liegende Sintertemperatur erhitzt werden, ist die erfindungsgemäß vorgesehene Lösung dieser Aufgabe in ihrer allgemeinsten form dadurch gekennzeichnet, daß in die Grundform zunächst eine erste Lage aus Metallpulver eingebracht wird, darauf das in seiner Gestalt und seinen Abmessungen dem Formhohlraum entsprechende Modell geleg; w ird, die freiliegende Metallpulverschicht mit einer dünnen Schicht aus hochschmel/endem Keramikpulver als Trennmittel bedeckt wird, die freiliegenden Flächen des Modells und der Trennmittelschicht mit einer zweiten Lage aus Metallpulver bedeckt werden, wobei in eine oder beide Metallpulverlagen das dem durchgehenden, mehrfach abgebogenen Kanal für ein Wärmeiibertragungsmedium entsprechende Modell aus Tränkmetall so eingebettet wird, daß es mit seinen beiden Enden die Innenwand der Grundform berührt

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und ansonsten vollständig von Metallpulver umuoK-n bt.und anschließend die Grundform nut dem genannten Inhalt auf Sintertemperuiur erwärmt wird.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgeinaßen Verfahrens können die Metallpulver)»· gen innerhalb der Grundform vor dem Sintern verdichtet werden.

Zweckmäßigerweise wird das erfindungsgemuße Verfahren auf solche dem vorgesehenen Kanal entsprechende Modelle angewandt, die jeweils mit Gewinde versehene erweiterte Enden aufweisen.

Nach einer ebenfalls von der Erfindung umfaßten Abandenog des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in die Grundform als dem Kormhohlraum entsprechendes Modell auch ein solches aus hochschmelzendem keramischem Material eingelegt werden.

In allgemeiner Form wird beim erfindungsgemäßen Verfahren Sinterpulver, beispielsweise aus Eisen. Kupfer. Woiframkarbid oder Titankarbid in einem Rahmen oder Kasten, um ein Modell aus Tränkmetall. wie /- B. aus Kupfer. Blei. Kobalt. NiiAet, Eisen oder deren Legierungen herum angeordnet: der Sehmefzpunkt des Tränkmctalls liegt unterhalb des Schmelzpunktes des Sinterpulvers: das Modell entsprich! der Gestall der Hohlflache des gewünschten Kanals, durch den das Warmeübertragungsmedium geführt werden soll, und dieses Modell wird innerhalb des Sinterpulvers an der Stelle des gewünschten Kanals angeordnet: anschließend wird das Pulver mit dem Modell innerhalb der Grundform auf Sintertemperatur erhitzt. Wahrend des Sintervorganges schmilzt das Modell aus Tränkmetall und diffundiert zur Ganze in das Sintermetadpulver hinein. Nach dem Abkühlen wird eine gehärtete gesinterte form mit einem Hohlraum oder Kanal erhalten, der in Gestalt und Große der Oberfläche des Modells in dem Formteil, wo das Modell angeordnet war. entspricht. Das Tränkmetall dient ferner dazu, die Form an den Stellen zu verstärken, die den Kanal umgeben. Das Tränkmetall verschließt vollständig eventuelle kle.ne Löcher um den Kanal im Sintermaterial, so daß das Kühl- oder Heizmedium, das durch den Kanal geleitet wird, auch dann, wenn das Medium unter hohem Druck steht, nicht in die Form fließen kann. Auf diese Weise erhält die Form eine längere Standzeit, ohne daß Leckverluste auftreten.

Eine ausführliche Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die F i g. 1 bis 4; im einzelnen /eigen:

Fig. I einen Querschnitt einer zweiteiligen Gußform aus Sintermetall mit einem inneren Kanal für fließendes Wärmeübertragungsmedium:

Fig. 2 einen waagrechten Querschnitt gemäß der Linie 2-2 in F i ;. 1;

Fig. J ein· perspektivische Ansicht des für die Ausbildung des Kanals in der Metallform der F i g. I und 2 verwendeten Modells aus Tränkmetall; und

F i g. 4 eine perspektivische Ansicht eines Modells für die Ausbildung der Formoberflächen innerhalb der Gußform gemäß den Fi g. 1 und 2.

Wie den F i g. 1 und 2 zu entnehmen ist. besteht die herzustellende zweiteilige Gußform aus einer unteren Form 721 und einer oberen Form 722. welche beide aus Sintereisenpulver bestehen. Die untere Form 721 weist eine untere Formfläche 601. einen zick-zack-förmigen inneren Kanal 111, durch den das Warmeübertragungsmedium durch die untere Form geführt wird, und Führungsbohrungen 766 auf. Die obere Form 722 weis!

Cine wuviL- iViimiiuche büi, eine t-ingulSollnunt 7bl. einen Steiger 762. einen zick/ack-formigen inneren Kanal 121. der entsprechend den· Kanal III zur Hindurchführung von Wärmeübertragungsmcdium durch die obere Form dient, und Führungen 765 auf. Die Kanäle Ul und 121 sind jeweils an ihren beiden Enden mit Gewindeabschnitten 115 bzw. 116 versehen fur eine Verbindung mn Zufuhr- bzw. Auslaßleitungen, durch die Wärmeübertragungsmedium, wie z. B. Kühlwasser, gefahrt wird Wird die obere F orn 722 auf die untere Form 721 gelegt, so entsteht ein durch die Formflachen 601 und 602 begrenzter Formhohlraum. Dieser Hohlraum weist eine napfförmige Gußformfläche auf. mit einem Boden, der etwa dem Becherteil 60 des Modells 6 (Fig. 4) entspricht.

Das Modell 11 zur Ausbildung des Kanals Ml der unteren Form ist mit F 1 g. J dargestellt. Das Modell 11 besieht aus Kupfer und besitzt eine Uförmige Zick-Zack-Gestalt. An seinen beiden Enden ist das Modeil Il mit Gewindeabschnittcn 15. 16 ausgestattet, die zur Ausbildung der Gewindeabschnitte 115 bzw. 116 eier Kanäle dienen. Zur fierstellung der Gußformflachen dient das mit F ig. 4 dargestellte Modell 6 mit einem Becherteil 60. der an seinem offenen R.ind em stabförmiges Teil 61 fur die Bildung der Eingußoffnung

761 und ein weiteres Teil 62 für die Bildung des Steigers

762 aufweist.

Die Herstellung der mit den F 1 g. 1 und 2 dargestellten Gußform erfolgt mit einer Grundform, beispielsweise einem Formrahmen aus Keramik mit einem Bodenteü, der mit Aluminiunioxidpulver (M>()|) als Trennmittel bedeckt ist, um eine Trennung /\\ ischen der herzustellenden Form und den Innenflächen der Grundform zu gewährleisten. Auf dem Boden der Grundform wird eine Schicht aus Eisenpulver ausgebreitet und darauf das mit Fig. i dargestellte Modell 11 gelegt; anschließend wird auf das Modell weiteres Eisenpulver gestreut. Anschließend wird auf die das Modell Il bedeckende Schicht das Modell 6 fur den Formhohlraum aus beispielsweise keramischem Material gelegt. Anschließend wird weiteres Eisenpulver bis zur Flöhe des oberen Randes des Modells 6 in die Grundform eingefüllt. Für die Ausbildung der Führungen 765 und 766 werden entsprechende stab- oder becherförmige Modelle aus keramischem Material an Stellen in vier Radialrichtungen des Modells 6 derart in das Eisenpulver gesetzt, daß sich die oberen Endabschnitte dieser Modelle jeweils auf der gleichen Höhe wie der obere Rand des Bechers 60 befinden. Anschließend wird auf der eingebrachten Schicht aus Eisenpulver eine Schicht aus Aluminiumoxidpulver aufgetragen, um eine Trennflächc zu erhalten, welche eine leichte Trennung der herzustellenden zweiteiligen Form erlaubt. Diese Aluminiumoxidpulvcrschicht wird mit weiterem Eisenpulver bedeckt und anschließend im Bereich oberhalb des Modells 6 auf diese Eisenpulverschicht ein weiteres Modell 11 aus Tränkmetall aufgelegt. Dieses weitere Modell 11 wird anschließend mit weiterem Eisenpulver bedeckt.

Zur Verdichtung des Eisenpulvers wird anschließend auf die oberste Fisenpulvcrschicht ein Druck von ungefähr 0.8 Mp/cni-' ausgeübt. Der dabei erhaltene Preßkörper aus verdichtetem Eisenpulver wird innerhalb der Grundform in einen Sinterofen gebracht und dort unter Stickstoffatmosphäre 60 Minuten lang bei 1120⁰C gesintert.

Der Schmelzpunkt von Kupfer liegt mit I08JC unterhalb der vorgesehenen Sintertemperatur; deshalb

lohmelzen die beiden Modelle 11 aus Kupfer im Verlauf der Sinterung. Unter der Wirkung von Kapillarkräftcn diffundiert das schmelzflüssigc Kupfer in die im gesinterten Eisenpulver verbliebenen Hohlräume hinein: dadurch entstehen innerhalb des Sintermatcrials die inneren Kanäle 111 bzw. 112. welche in ihren Abmessungen der Gestalt der Modelle 11 aus Tränkmetall entsprechen. Das in das gesinterte Eisenpulver eindiffundierende schmelzflüssige Kupfer verstärkt die Bindung zwischen den Eiscnpulverleilchen um die Kanäle 111 und 121 herum und dichtet die spätere Kanalwand ab.

Nach Abschluß der Sinterung wird das Sinterprodukt abgekühlt und aus der Grundform herausgenommen. Das als Trennmittel verwendete Aluminiumoxidpulver gewährleistet daß die beiden Hälften der zweiteiligen Form weder aneinander, noch an der Innenwand der Grundform haften. Nach dem Öffnen der beiden Hälften der zweiteiligen Form lassen sich auch die darin verbliebenen Modelle, beispielsweise das Modell 6, ohne weiteres daraus entfernen, so daß im Ergebnis die mit den F i g. 1 und 2 dargestellte Gußform aus Sintermetall erhalten wird.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen das Modell 6 und die Modelle für die Ausbildung der Führungen 765 bzw. 766 in Abänderung des Verfahrens jeweils aus keramischem Material mit einem Erweichungspunkt oberhalb der Sintertemperatur des vorgesehenen Sintermaterials; während der Sinterung werden diese Modelle weder verformt noch eingedrückt, so daß sie mehrmals verwendet werden können. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sind diese Modelle üblicherweise auch aus Kupfer oder einem anderen Tränkmetall in Übereinstimmung mit den Modellen 11. damit auch das eingebrachte Modell 6 und die Modelle für die Führungsteile 765 bzw. 766 während des Sintervorganges schmelzen und in die Hohlräume des gesinterten Eisenpulvers hineindiffundieren, wodurch auch dort das Sinterprodukt verstärkt wird. Im Ergebnis werden dabei die Formflächen 601, 602, die Eingußöffnung 761, der Steiger 762, die Führungen 765 und die Führungsbogen 766 in gleicher Weise hergestellt, wie das oben für die Herstellung der Kanäle 111 und 121 beschrieben worden ist.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Eisenpulver vor dem Sintern zusammengedrückt und verdichtet: diese Maßnahme erhöht die Dichte und Festigkeit der fertigen Form und hilft einen Einbruch der mit den beiden Kupfermodellen 11 in Berührung stehenden Eisenpulveroberflächen zu vermeiden, wenn die Modelle im Verlauf der Sinterung schmelzen und Hohlräume bilden. Eine solche Verdichtung ist jedoch keine notwendige Maßnahme des erfindimgsgemäßen Verfahrens.

Wird beispielsweise ein poröses Sintermaterial niedriger Dichte angestrebt so kann hierzu vorteilhaft ein zweistufiges Sinterverfahren angewandt werden. Bei dieser zweistufigen Sinterung ist eine 2 Stunden dauernde Vorsinterung bei 900°C vorgesehen, an die sich die übliche Sinterung fSr ca. 1 Stunde bei 1120⁰C wie oben angegegen, anschließt Im Verlauf der Vorsinterung wird das Eisenpulver so weit zusammengesintert daß ein im wesentlichen skelettartiges Material erhalten wird. Im Verlauf der nachfolgenden üblichen Sinterung schmilzt das Kupfer und tränkt das umgebene Sintermaterial fm Ergebnis wird eine langsamere Tränkung des umgebenen Sinlcrmalcrials erreicht, wodurch ein stabileres Sinteiprodukt erhalten werden kann.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Sintern und gegebenenfalls das Verdichten des pulvcrförmigen Sintermatcrials innerhalb einer Grundform. Hierzu ist es erforderlich, daß die Grundform, beispielsweise ein Formkasten oder ein Formrahmen, den auftretenden mechanischen Kräften und den

ίο vorgesehenen Temperaturen standhalten muß. Bei dieser Arbeitsweise kann das pulverförmige Sintermaterial weder vor der Sinterung noch im Verlauf der Sinterung einbrechen; dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn Metallpulver verwendet werden, die /um Ein- oder Zusammenbrechen neigen, weil sie sich nicht zusammendrücken lassen oder ihre Zusammcndrückbarkeit gering ist.

Das im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Metallpulver kann aus üblichen für Sinterzwecke eingesetzten Metallpulvern, wie Eisen oder Kupfer, aus pulverförmigen Karbiden, wie Wolframkarbid oder Titankarbid, oder anderen Sintermaterialien bestehen. Das zu verwendende Tränkmetall muß einen Schmelzpunkt unterhalb der Sintertempera-

tür des Sintermaterials aufweisen. Naturgemäß hängen die ausgewählten Sinterbedingungen von den Eigenschaften des Sintermaterials und dem jeweiligen Tränkmetall ab; wird beispielsweise als Sintermaterial Eisenpulver oder eisenhaltiges Material mit Kohlen-Stoffzusätzen verwendet, so kann das Tränkmetall aus Kupfer, einer Kupfer-Mangan-Legierung mit 95% Kupfer und 5% Mangan, einer Kupfer-Kobalt-Legierung mit 97% Kupfer und 3% Kobalt oder ähnlichen Materialien bestehen. Diese Materialkombination wird zweckmäßigerweise 60 Minuten lang bei 1120⁰C unter Stickstoffatmosphäre gesintert. Wird als Sintermaterial Kupferpulver oder eine pulverförmige Kupferlegierung verwendet, so kann das Tränkmetall aus Blei, einer Blei-Zinn-Legierung mit 50% Blei und 50% Zinn, einer Blei-Cadmium-Legierung mit 82% Blei und 18% Cadmium oder ähnlichen Materialien bestehen; mit diesen Materialkombinationen erfolgt die Sinterung zweckmäßigerweise innerhalb von 60 Minuten bei 500°C Wird als Sintermaterial pulverförmiges WoIf-

ramkarbid verwendet, so kann das Tränkmetall aus Kobalt, Nickel, einer Eisenlegierung oder ähnlichen Materialien bestehen; für diese Materialauswahl erfolgt die Sinterung zweckmäßgerweise innerhalb von 60 Minuten bei 1550°C unter Wasserstoffatmosphäre.

Wird als Sintermaterial hauptsächlich pulverförmiges Titancarbid verwendet, dann kann das Tränkmetall aus Nickel, einer Nickel-Molybdän-Legierung mit 95% Nickel und 5% Molybdän, einer Kobaltlegierung oder ähnlichen Materialien bestehen; für diese Materiaiaus-

wahl erfolgt die Sinterung zweckmäöigerweise innerhalb von 60 Minuten bei 1550°C unter Wasserstoffatmosphäre.

Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verwendenden Modelle aus Tränkmetall weisen die

gleiche Gestalt auf. wie die in der Form herzusteflenden Kanäle. Die Verlegung der Kanäle innerhalb der Form läßt sieh einfach dadurch ändern, daß beim Einlegen von Model und Smtermaterial in die Grundform die Lage des Modells innerhalb des Sinterpulvers verändert wird

Bei den oben erläuterten Ausführungsiormen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Formfiächen der zweiteiligen Form stets gleichzeitig mit der Bildung des Sinterprodukts und der entsprechenden Kanäle

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ausgebildet worden. Es ist jedoch auch möglich, zunächst das gesinterte Material mit den Kanälen herzustellen und anschließend die Formflächen auszubilden, beispielsweise durch Herausschneiden und Entfernung von gesintertem Material. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen zweiteiligen oder mehrteiligen Former weitem Umfang zur Herstellung geformter ( de verwendet werden, beispielsweise zur Fo Kunststoff, Glas, Gummi und/oder Metall, w Preßformen, Spritzgußformen und dgl.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

1. P.-

   I. Verfahren zur pulvermctallurgischcn Herstellung einer mehrteiligen Form mit einem kanalartigen Hohlraum und durch Tränkmetall zusätzlich verfestigte Oberflächen, bei dem in einer Grundform Metallpulver und Modelle aus Tränkmetall auf eine über dem Schmelzpunkt de?» Tränkmetall liegende Sintertemperatur erhitzt werden, dadurch gekennzeichnet. da3 in die Grundform zunächst eine erste Lage aus Metallpulver eingebracht wird, darauf das in seiner Gestalt und seinen Abmessungen dem Formhohlraum entsprechende Modell gelegt wird, die freiligende Metallpulverschicht mit einer dünnen Schicht aus hochschmelzendem Keramikpulver als Trennmittel bedeckt wird, die freiliegenden Flächen des Modells und der Trenn mittelschicht mit einer /weiten Lag·.· aus Metallpulver bedvckt werden, wob·:! in eine oder beide Metallpulverlagen das dem durchgehenden, mehrfach abgebogenen Kanal für ein Wärmeübertragungsmedium entsprechende Modell aus Tränkmetall so eingebettet wird, daß es mit seinen beiden Enden die Innenwand der Grundform berührt und ansonsten vollständig von Metallpulver umgeben ist. und anschließend die Grundform mit dem genannten Inhalt auf Siniertemperatur erwärmt wird.
2. 2 Verfahren nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die MetallpuKerlagen innerhalb der Grundform vordem Sintern verdichtet werden.
3. 3 \nwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2. auf ein dem Kanal entsprechendes Modell mit jeweils mit Gewnde versehenen erweiterten linden.
4. 4. Abänderung des Verfahrens nach den Ansprüchen I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß als cm dem Formhohlraum entsprechendes Modell ein solches aus hochschmcl/endem keramischem Material eingelegt wird.