DE2054972C3 - Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung einer mehrleiigen Form mit einem kanalartigen Hohlraum und durch Tränkmetall zusätzlich verfestigten Oberflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren /ur pulvermetalhirgischen Herstellung einer mehrteiligen Form mit einem kanalariigcn Hohlraum und durch Tränkmetall Zusätzlich verfestigten Oberflächen, bei dem in einer Grundform Metallpulver und Modelle aus Tränkmetall auf eine über dem Schmelzpunkt des Tränkmetalls Hegende Sintertemperatur erhitzt weiden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Abändern,ig und Anwendungen dieses Verfahrens.

Die Verwendung von Tränkmetall bei der Herstellung von Sinterkörpern ist unter der Bezeichnung Sinter-Tränk-Verfahren bekannt geworden. Eine beispielhafte Anwendung des Sinter-Trank-Verfahrens kann der US-Patentschrift 20 85 507 entnommen werden. Dort wird die pulvermcta llurgische Herstellung eines Lagers beschrieben, wobei der gesinterte Lagerkörper einen zylindrischen Hohlraum umgibt und innerhalb des Lagerkörpers ein schraubenförmig gewundener, kanalartiger Hohlraum vorgesehen ist. der zur Aufnahme von der Lagerschmierung dienendem öl bestimmt ist. Der kanalartige Hohlraum endet blind, d. h„ er ist allseitig von porösem Sintermaterial umgeben, und das Öl dringt durch Poren im Sinierkörner in den Hohlraum ein und aus.

Zur Herstellung dieses bekannten Sinte.-körpers wird zentral in den Hohlraum einer Druckform ein zylindrischer Stempel eingesetzt, um diesen Stempel herum eine erste Lage Metallpulver eingebracht, darauf eine vorgeformte, den Stempel umgebende Spirale aus Tränkmetall gelegt, der verbleibende Hohlraum der Druckform mit weiterem Metallpulver ausgeformt, das Metallpulver unier Druckeinwirkung verdichtet, der verdichtete Körper aus der Druckform entnommen und anschließend gesintert. Bei der Sinterung wird über den Schmelzpunkt des Tränkmetalls hinaus erwärmt, so daß das Tränkmetall 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 Erfindung 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 eine- konstanten Temperatur zu halten, um die Form mit dem herzustellenden Gegenstand plötzlich abzuschrecken oder langsam abzukühlen. Hier/u ist es bekannt. Kanäle in der Form vorzusehen, durch welche Kühlmedium geführt 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 herausgefräst worden, was ebenfalls eine spanabhebende Nachbehandlung des Formteils erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches, ^;m wesentlichen einstufiges Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von zweiteiligen Formen, welche zusammen einen Formraum umschließen und in einem oder jedem Formteil einen durchgehenden, mehrfach abgebogenen Kanal zum Durchleiten eines Wärmeübertragungsmediunis aufweisen, anzugeben.

Ausgehend von einem Verfahren zur pulvermetallurgischen 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 cies 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 gelegt wird, die freiliegende Metallpulverschicht mit einer dünnen Schicht aus hochschmelzendem Keramikpulver als Trennmittel bedeckt wird, die freiliegenden Flächen des Modells und der Trennmittelschicht mit einer /weiten Lage aus Metallpulver bedeckt werden, wobei in eine oder beide Metallpulverlagcn 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 Sintertemperatur erwärmt wird.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Metallpulverlagen⁰ innerhalb der Grundform vor dem Sintern verdichtet werden.

Zweckmäßigerweise wird das erfindungsgemäße Verfahren »nf solche dem vorgesehenen Kanal entspreeine obere Formfläche 602, eine Eingußölfnung 761. einen Steiger 762, einen zick-zack-förmigen inneren Kanal 121, der entsprechend dem Kanal 111 zur Hindurchführung von Wärmeübertragungsmedium durch die obere Form dient und Führungen 765 auf. Die Kanäle 111 und 121 sind jeweils an ihren beiden Enden mit Gewindeabschnitten 115 bzw. HS versehen für eine Verbindung mit Zufuhr- bzw. Auslaßleitungen, durch die Wärmeübertragungsmedium, wie z. B. Kühlwasser.

chende Modelle angewandt die jeweils mit Gewinde io geführt wird. Wird die obere Form 722 auf die untere versehene erweiterte Enden aufweisen.

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

In allgemeiner Form wird beim erfindungsgemäßen Verfahren Sinterpulver, beispielsweise aus Eisen. Kupfer. Wolframkarbid oder Tilankarbid in einem Rahmen oder Kasten, um ein Modell aus Tränkmetall. »ie z.B. aus Kupfer, Blei. Kobalt, Nickel. Eisen oder deren Legierungen herum angeordnet; der Schmelzpunkt des Tränkmetalls liegt unterhalb des Schmelzpunktes des Sinterpulvers: das Modell entspricht der Gestalt der Hohlfläche des gewünschten Kanals, durch den das Wärmeübertragungsmedium geführt weiden soll, und dieses Modell wird innerhalb des Sinierpulvers jn der Stelle des gewünschten Kanals angeordnet: anschließend wird das Pulver mit dem Modell innerhalb der Grundform auf .Sintertemperatur erhitzt. Während des Sintervorsanges schmilzt das Modell aus Tranknietall und diffundiert zur Gän/e in das Sintermetallpulver hinein. Nach dem Abkühlen wird eine gehärtete Form mit einem Hohlraum oder Kanal

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gesinterte

erhalten, der in Gestalt und Größe 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 kleine 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 I cckv erluste auftreten.

Eine ausführliche Erläuterung des erfindungsgeinä-Ben Verfahrens erfolgt mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis4;im einzelnen zeigen·

Fig. 1 einen Querschnitt einer zweiteiligen Gußform aus Sintermetall mit einem inneren Kanal für fließendes Wanneübertragungsmedium;

Fig. 2 einen waagrechten Querschnitt gemäß der Linie 2-2 in Fig. 1:

Fig. 3 eine perspektivisch Ansicht des fur die Ausbildung des Kanals in der Metallform der F 1 g. 1 und 2 verwendeten Modells aus Tränkmetall: und

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

Wie den Fig. 1 und 2 /u entnehmen ist, besteht die herzustellende zweiteilige Gußform aus einer unteren Form 721 und einer oberen Form 722, welche beide ,his Sintereisenpulver bestehen. Die untere Form 721 weist eine untere Formfläche 601. einen /ick-zack-förmigcn inneren Kanal 111, durch den das Wärmeübertragungsmedium durch die untere Form geführt wird, und Führungsbohrungen 766 auf. Die obere Form 722 weist

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60 Form 721 gelegt, so entsteht ein durch die Formflächen 601 und 602 begrenzter Formhohlraum. Dieser Hohlraum weist eine napfförmige Gußformfläche auf, mit einem Boden, der etwa dem Becherteil 60 des Modells 6 (Fi g. 4)entspricnt

Das Modell 11 zur Ausbildung des Kanals 111 der unteren Form ist mit F i g. 3 dargestellt. Das Modell 11 besteht aus Kupfer und besitzt eine U-förmige Zick-Zack-Gestalt. An seinen beiden Enden ist das Modell U mit Gewindeabschnitten 15, 16 ausgestattet, die zur Ausbildung der Gew indeabschniite 115 bzw 116 der Kanäle dienen. Zur Herstellung der Gußformflächen dient das mit F ig.4 dargestellte Modell 6 mit einem Becherteil 60. der an seinem offenen Rand ein stubförmiges Teil 61 für die Bildung der Eingußoffnung

761 und ein weiteres Teil 62 für die Bildung des Steigers

762 aufweist.

Die Herstellung der mit den Fig. 1 und 2 dargestellten Gußforni folgt mit einer Grundform, beispielsweise einem 1. --mrahmen aus Keramik mit einem Bodenteil, der mit Aluminiumoxidpulver (AbOi) als Trennmitte! bedeckt ist. um eine Trennung /wischen der herzustellenden form und den Innenflächen der Grundform /u gewährleisten. Auf dem Boden der Grundform wird eine Schicht aus Eisenpu'ver ausgebreitet und daraul das mit F i g. 3 dargestellte Modell 11 gelegt; anschließend wird auf das Modell weiteres Eisenpulver gestreut. Anschließend wird aiii die das Modell Il bedeckende Schicht das Modell 6 für den Formhohlraum a,js beispielsweise keramischem Mate rial gelegt. Anschließend wird weiteres Eisenpulver bis zur Höhe des oberen Randes des Modells 6 in die Grundform eingi füllt. Für die Ausbildung der Führun gen 765 und 76'b werden entsprechende stab- oder becherförmige Modelle aus keramischem Material an Stellen in vier Radialnchtungen 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 Aluininiiiinoxidpulver aufgetragen, um eine Trennfläche zu erhalten, welche eine leichte Trennung der herzustellenden zweiteiligen Form erlaubt. Diese Aluminuimoxidpijlverschicht 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 init weiterem Eisenpulver bedeckt.

Zur Verdichtung des Eisenpulvers wird anschließend auf die oberste Eisenpulverschicht ein Druck von ungefähr 0.8 Mp/cm- 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 1083⁰C unterhalb der vorgesehenen Sintertemperatur; deshalb

schmelzen die beiden Modelle Il aus Kupfer im Verlauf der Sinterung. Unter der Wirkung von Kapillarkräftcn diffundiert das schmclzflüssige Kupfer in die im gesinterten Eisenpulver verbliebenen Hohlräume hinein: dadurch entstehen innerhalb des Sintermaterials die inneren Kanäle 111 bzw. 112, welche in ihren Abmessungen der Gestalt der Modelle 11 aus Tränkmetall entsprechen. Das in das gesinterte Eisenpulver cindiffundierende schmclzflüssige Kupfer verstärkt die Bindung zwischen den Eisenpulverteilchen um die Kanäle Hl 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 ι 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 Kupfcrmodellen 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 erfindungsgemäßen 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° G vorgesehen, an die sich die übliche Sinterung für ca. 1 Stunde bei 1120* C 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. Im Ergebnis wird eine langsamere Tränkung des umgebenen Sintcrmaierials erreicht, wodurch ein stabileres Sintcrprodukt erhalten werden kann.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Sintern und gegebenenfalls das Verdichten des pulverförmigen Sinlermatcrials innerhalb einer Grundform. Hierzu ist es erforderlich, daß die Grundform, beispielsweise ein Formkasten oder ein Formrahmen. den auftretenden mechanischen Kräften und den vorgesehenen Temperaturen standhalten muß. Bei dieser Arbeitsweise kann das pulverförmige Sintcrmaterial weder vor der Sinterung noch im Verlauf der Sinterung einbrechen; dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn Metallpulver verwendet werden, die zum Ein- oder Zusammenbrechen neigen, weil sie sich nicht zusammendrücken lassen oder ihre Zusammendrückbarkeit 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 Sinter materialien bestehen. Das zu verwendende Tränkmetall muß einen Schmelzpunkt unterhalb der Sintcrtemperatür des Sintermaterials aufweisen. Naturgemäß hängen die ausgewählten Sinterbedingungen von den Eigenschaften des Sintermaterials und dem jeweiligen Tränkmetall ab; wird beispielsweise als Sintcrmaterial 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 Materialkombinaiion wird zweckmäßigerweise 60 Minuten lang bei 1120 C unter Stickstoffatmosphäre gesintert. Wird als Sintcrmaterial Kiipferpulver 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 b0 Minuten bei 500 C. Wird als Sintermaterial pulverförmiges WoIframkarbid verwendet, so kann das Tränkmetall aus Kobalt. Nickel, einer Eisenlegierung oder ähnlichen Materialien bestehen: für diese Materialauswahl erfolgt die Sinterung zweckmäßgerweise innerhalb von b0 Minuten bei 1550⁰C unter Wasserstoffatrnosphärc.

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 Materialaus wahl erfolgt die Sinterung zweckmäßigerweise inner halb von 60 Minuten bei 155(TC unter Wasserstoffatmosphäre.

Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verwendenden Modelle aus Tränkmetall weisen die gleiche Gestalt auf. wie die in der Form herzustellenden Kanäle. Die Verlegung der Kanäle innerhalb der Form läßt sich einfach dadurch ändern, daß beim Einlegen von Modell und Sintermaterial in die Grundform die Lage des Modells innerhalb des Sinterpulvers verändert wird.

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

gebildet worden. l£s ist jedoch auch möglich, lachst das gesinterte Material mit den Kanälen zustellen und anschließend die Formflachen aus/.ulen, beispielsweise durch Herausschneiden und [fcrnung von gesintertem Material.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhal-

lenen zweiteiligen oder mehrteiligen Können weitem Umfang zur Herstellung geformter C de verwendet werden, beispielsweise /ur Foi Kunststoff. Glas, Gummi und/oder Metall, w Preßformen, Spritzgußlormen und dgl.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur pulvermetallurgischen 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 des Tränkmetall liegende Sintertemperatur erhitzt werden, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß 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 '5 einer dünnen Schicht aus hochschmelzendem 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 *o Metallpulverlagen das dem durchgehenden, mehrfach abgebogenen Kanal fur ein Wärmeüberiragungsmedium entsprechende Modell aus Tränkmetall so eingebettet wird, daß es mit seinen beiden Enden die Innenwand der Grundform berührt und ²S ansonsten vollständig von Metallpulver umgeben ist. und anschließend die Grundform mit dem genannten Inhalt auf Sinieriempcraiur erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpul· erlagen innerhalb der Grundform vor dem Sintern verdichtet werden.

3. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2. auf ein dem Kanal entsprechendes Modell mit jeweils mit Gewinde versehenen erweiterten Enden.

4. Abänderung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß als ein dem Formhohlraum entsprechendes Modell ein solches aus hochschmelzendem keramischem Material eingelegt wird.