DE2438315C3

DE2438315C3 - Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen von Genauteilen

Info

Publication number: DE2438315C3
Application number: DE19742438315
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dr.-Ing. 5608 Radevormwald Hoffmann
Original assignee: Sintermetallwerk Krebsoege 5608 Krebsoege GmbH
Current assignee: Sintermetallwerk Krebsoege 5608 Krebsoege GmbH
Priority date: 1974-08-09
Filing date: 1974-08-09
Publication date: 1979-01-25
Also published as: DE2438315B2; SE412540B; GB1511667A; SE7508910L; DE2438315A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen von Genauteilen, bei dem ein kaltgepreßter Vorpreßkörper warmumgeformt wird.

Es ist bekannt, daß die technologischen Eigenschaften pulvermetallurgisch hergestellter Teile in allererster Linie von deren Dichte bestimmt werden. Dies gilt, insbesondere für die mechanischen Eigenschaften; so nimmt beispielsweise die Zugfestigkeit mit steigender Dichte linear zu und erhöhen sich die Duktilität,, Bruchdehnung, Einschnürung und Schlagzähigkeit mil steigender Dichte exponentiell. Demzufolge geht das Bestreben dahin, bei den pulvermetallurgischen Verfahren eine möglichst hohe Dichte zu erreichen. Mit dem bloßen Kaltpreßen gelingt dies nicht, da sich dabei allenfalls eine Dichte von 90 bis 95% ergibt. Die daraus resultierende Festigkeit liegt erheblich unter der Festigkeit entsprechend zusammengesetzter, jedoch über den Schmelzfluß hergestellter Metallteile.

Um die technologischen Eigenschaften der regulinischen Werkstoffe nahezu zu erreichen, wird in der Praxis zumeist ein Pressen, Sintern und Warmpressen angewandt So wird beispielsweise beim Heißpressen ein aus einem Metallpulver durch Kaltpressen hergestellter VorpreDkörper auf eine Temperatur von beispielsweise 700 bis 900°C erwärmt und anschließend gepreßt. Dabei erhöht sich die Dichte des Vorpreßkörpers von 70 bis 90% auf 96 bis 99%. Eine weitere Dichtesteigerung bzw. ein im wesentlichen porenfreier Preßkörper läßt sich nur mit außergewöhnlich hohen Drücken über etwa 10 Mp/cm² erreichen. Derart hohe Drücke führen jedoch abgesehen von dem technischen Aufwand zur Erzeugung und Anwendung soldier Drücke zu einem ganz erheblichen Werkzeugverschleiß, der bis zum Werkzeugbruch gehen kann.

Die mit der gleichzeitigen Anwendung hoher Temperaturen und hoher Drucke beim Heißpressen verbundenen Schwierigkeiten standen bislang einer breiten Anwendung in der Massenfertigung entgegen. Weitere Schwierigkeiten ergeben sich daraus, daß der Vorpreßkörper beim Heißpressen gleichzeitig amge formt, & h. von einem Kalibrieren abgesehen, in seine endgültige Form gebracht wird. Angesichts der verhältnismäßig geringen Dichte des Vorpreßkörpers beginnt der Verformungsvorgang in dem Heißpreßwerkzeug zunächst mit einem Verdichten, d. h. mit einem Auffüllen bzw. mit einer Verringerung des Porenvolumens. Dies ist der Grund dafür, daß beim Heißpressen nach Möglichkeit Vorpreßkörper mit geringer Festigkeit eingesetzt werden. Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich daraus, daß der Umformgrad beim Heißpressen je nach Werkstoff und Temperatur

begrenzt ist und ein zu hoher Umformgrad zur

Zerstörung des Werkstoffgefüges und insbesondere zu

einer Rißbildung führt

Um den beim Heißpressen zulässigen Umformgrad

einhalten zu können, muß der Vorpreßkörper daher bereits entsprechend der Form des fertigen Sinterkörpers gestaltet seiiM

Die Rißbildung ist durch eine Gefügeauflockerung bedingt, deren Ausmaß vom Umformgrad abhängig ist.

So wird beispielsweise beim Verdichten einer Ronde mit einer Dichte von 80% der theoretischen Dichte zwischen zwei Platten der Werkstoff an der Rondenperipherie gestreckt und es treten dort bei einer Verminderung der Rondenhöhe um etwa 40% bereits Risse auf.

Hierbei handelt es sich um eine für das Heißverdichten bzw. -pressen typische Überlagerung von Verdichtung und Umformung, bei der ein wesentlicher Teil der Höhenabnahme durch die Werkstoffverdichtung aufgenommen wird und der Rest in die Umformung eingeht.

Bekannt ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 14 33 073 ein Verfahren der eingangs erwähnten Art, bei dem zur Vermeidung einer Rißbildung beim Umformen einem Vorkörper beim Kaltpressen eine Dichte verliehen wird, die gewährleistet, daß die Summe der aus dem Vorverdichten und Sintern resultierenden Kohäsionskräfte mindestens so groß ist wie der Verformungswiderstand bei der vorgesehenen Heißpreß- bzw. Umformtemperatur. Demgemäß soll beim Kaltpressen eines Pulvers der Vorkörper bereits vor dem Sintern eine so hohe Dichte errreichen, daß es unter Berücksichtigung der Erhöhung der Kohäsionskräfte beim Sintern während des Umformens zu keiner Rißbildung kommt Auch bei diesem Verfahren überlagern sich das Verdichten und Umformen bzw.

Fließen des Werkstoffs.

Bekannt sind auch eine Reihe von Verfahren, bei denen ein Pulver oder ein aus einem Pulver hergestellter Vorpreßkörper durch eine Werkzeugöffnung gedrückt und dabei verformt wird. So beschreibt bei- spielsweise die deutsche Auslegeschrift 17 58 202 ein Verfahren zum pulvermetallurgischen Strangpressen dichter Voll- oder Hohlprofile ohne Gaseinschlüsse, bei dem ein Vorpreßkörper vor dem eigentlichen Strangpressen axial gepreßt und dabei im wesentlichen radial

fortschreitend verdichtet wird. Demgemäß wird der Vorpreßkörper sowohl in Preßrichtung als auch quer zur Preßrichtung verdichtet und entsprechend den Konturen des Preßkopfs, des Aufnehmers und der Vor-

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|· wärtsbewegung eines Preßdorns umgeformt. Nach gleichzeitiger Formgebung.

ti Eisenkolb, »Fortschritte der Pulvermetallurgie«, Das Erwärmen des Vorpreßkörpers vor dem

Ip Akademie-Verlag, 1963, Band 1, S. 327, kann beim Verdichten und Umformen auf eine Temperatur von 800

Ü pulvermetallurgischen Strangpressen das Pulver ent- bis 1200° C kann von einem Sintern oder einer Diffusion

|| weder zu einer Platine oder in einem besonders ge- 5 der Pulverbestandteile begleitet sein. Ein Erwärmen

Il schalteten Werkzeug vorgepreßt werden, ohne gleichzeitiges Sintern empfiehlt sich insbesondere

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein dann, wenn der Vorpreßkörper aus einem gemischtle-

f: Verfahren zu schaffen, bei dem mit verhältnismäßig gierten Pulver hergestellt ist. In diesem Falle kann der

ö geringem Preßdruck Sinterteile mit höchster Dichte und Vorpreßkörper auf die Verdichtungs- bzw. Umform-

Ii Festigkeit ohne die Gefahr einer Rißbüdung auch bei 10 temperatur gebracht werden, ohne daß es zu einer die

verwickelten Formen anfallen. Die Lösung dieser Verformbarkeit beeinträchtigenden Legierungsbildung

Ii Aufgabe basiert auf der Erkenntnis, daß sich die kommt Das Verdichten und Umformen im Anschluß an

^ö Verformbarkeit mit zunehmender Dichte verbessert das Erwärmen des Vorpreßkörpers erfolgt aus Kosten-

und die Rißanfälligkeit dementsprechend verringert und Zeitgründen vorzugsweise in einer Hitze, wobei der bzw. völlig beseitigt wird. Im einzelnen besteht die 15 Vorpreßkörper unter Umständen auf eine niedrigere Erfindung darin, daß bei einem Verfahren der eingangs Verdichtungs- bzw. Umformtemperatur zwischenabgeerwähnten Art erfindungsgemäß der Vorpreßkörper kühlt werden muß. In ähnlicher Weise kann sich beim Warmpressen in einer ersten Phase zunächst nur zwischen den beiden Phasen bzw. zwischen den verdichtet und in einer zweiten Phase umgeformt wird. einzelnen Preßstufen die Notwendigkeit eines Zwii-Erfindungsgemäß werden demgemäß die sich beim 20 schenerwärmens oder auch Zwischena.bkühlens ergeherkömmlichen Umformen überlagernden Teilvorgän- ben, um eine bestimmte Preßtemperatur zu gewährleige des Verdichtens und Fließens weitestgehend sten oder ein bestimmtes Gefüge einzustehen,
voneinander getrennt, d h. in zwei besonderen Verfah- Dem Verdichten und Umformen kann sich schließlich rensstufen durchgeführt Jede Verfahrensstufe, insbe- auch Sintern, Diffusionsglühen und/oder Vergüten sondere aber die zweite Verfahrensstufe kann dabei aus 25 anschließen, um bestimmte Werkstoffeigenschaften zu mehreren Preßstufen bestehen. erreicheii.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet zwi- Die mit dem erfindungsgemäßen Zwei-Phasen-Presschen dem Sintern und dem Umformen ein Zwischen · sen erzielbare Dichte liegt über 99% und garantiert verdichten ohne Materialfluß statt, das beim abschlie- Werkstoffeigenschaften, wie sie sonst nur im Schmelzßenden Umformen außerordentlich hohe Verformungs- 30 f|_uß erzeugte Werkstoffe vergleichbarer Zusammenset ■ grade bei verhältnismäßig niedrigen Preßdrücken zung besitzen. Dieser Vorteil wiegt umso schwerer, als erlaubt. Auf diese Weise läßt sich eine Dichte von 99% bei gleicher Gesamtenergie für das Verdichten und und Hr. nahezu 100% erreichen. Umformen die Belastung der einzelnen Werkzeuge

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich nicht nur wesentlich verringert und deren Lebensdauer dementauf unlegierte Metallpulver, insbesondere Eisenpulver, 35 sprechend erhöht wird.

sondern auch für alle fertiglegierten oder gemischtle- Die weitgehende Trennung des Verdichtens einergierten Metallpulver jeder gewünschten Zusammenset- seits und des Umformens andererseits bei dem zung anwenden. So wurden beispielsweise unter erfindungsgemäßen Verfahren garantiert eine minimale Verwendung von verdüstern Eisenpulver mit 0.5 bis Überschneidung der beiden Verformungsvorgänge. 0,55% Molybdän und 1,8 bis 2,0% Nickel, dem o,5% 40 Darüber hinaus entsteht beim Verdichten ein Zwischen-Graphit und 0,7% Gleitmittel beigemischt wurden, körper mit einer Dichte von etwa 95% der theoretiausgezeichnete Ergebnisse erzielt. In ähnlicher Weise sehen Dichte und einer Festigkeit, die in der eignet sich ein Eisenpulver, dem je 0,5% Molybdän, nachfolgenden Umformphase einen hohen Verfor-Nickel, Mangan und 0,6% Graphit zugemischt sind. mungsgrad ohne die Gefahr einer Rißbüdung erlaubt.

^Das Pressen in zwei Phasen besitzt einerseits den 45 Schließlich bietet das erfindungsgemäCe Verfahren Vorteil, daß für eine bestimmte Dichte ein geringerer auch die Möglichkeit, gezielt Werkstücke mit anisotro-Preßdruck erforderlich ist als beim einstufigen Pressen. pen Eigenschaften herzustellen, deren technologische Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Eigenschaften in einer gewünschten Vorzugsrichtung Verfahrens liegt jedoch darin, daß die Verformbarkeit besonders gut sind. Zwar zeichnen sich pulvermetallurdurch ein vorangehendes Verdichten wesentlich 50 gisch hergestellte Werkstücke gerade durch ihre verbessert wird. isotropen Eigenschaften aus. Gleichwohl kann es je

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfah- nach Verwendungszweck von großem Vorteil sein, rens liegt darin, daß an die Geometrie des Vorpreßkör- wenn ein pulvermetallurgisch hergestelltes Werkstück pers keine besonderen Anforderungen gestellt zu in einer Richtung besonderer Beanspruchung günstigewerden brauchen; vielmehr kann ein einfacher, bei- 55 re technologische Eigenschaften aufweist als in der spielsweise zylindrischer oder scheibenförmiger Vor- Querrichtung. Das erfindungsgemäße Trennen des preßkörper verwendet werden, dem praktisch nur die Verdichtens und Umformens erlaubt es nämlich, den Aufgabe zukommt, die für das Fertigteil erforderliche Materialfluß beim Umformen so zu lenken, daß sich in Pulvermenge in das Werkzeug einzubringen. Entspre- der gewünschten Vorzugsrichtung stark gestreckte chend einfach kann auch das Verdichtungswerkzeug 60 Pulverteilchen ergeben und die Festigkeit in dieser gestaltet sein, dessen Aufgabe ausschließlich darin Richtung besonders groß ist.

besteht, den Vorpreßkörper zu verdichten. Dies Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausfühgeschieht auf Kosten des Porenvolumens ohne wesentli- rungsbeispielen und der Zeichnung des näheren chen Materialfluß, wenngleich ein geringer Materialfluß erläutert. In der Zeichnung zeigen:
oft nicht zu vermeiden und auch nicht schädlich ist. Das 65 Fig. I einen Vorp-eßkörper und das zugehörige Umformen in der zweiten, gegebenenfalls mehrstufigen Fertigteil eines bekannten Verfahrens,
Phase erfolgt dann unter weiterer Verdichtung auf Fig. 2 einen Vorpreßkörper und das zugehörige nahezu 100%, insbesondere aber mit Materialfluß unter Fertigteil eines bekannten Verfahrens,

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Fig.3 einen Vorpreßkörper, einen verdichteten 7,4 bis 7,6g/cm^J gebracht. Die Darstellung des Vorpreßkörper und das Fertigteil des erfindungsgemä- verdichteten Vorpreßkörpers 6 in F i g. 3 läßt erkennen, Ben Verfahrens, daß das Verdichten praktisch ohne ein Umformen

Fig.4 die Gefügeaufnahme einer mit 3°/oiger stattfindet. In einer Hitze, d.h. ohne Zwischenerwäralk. Salpetersäure angeätzten Probe aus dem Fertigteil 5 men, wurden die verdichteten Vorpreßkörper 6 in einer der F i g. 3 in fünfzigfacher Vergrößerung, zweiten Preßphase bzw. -stufe mit einem Druck von 0,5

F i g. 5 einen Vorpreßkörper, einen verdichteten bis 0,7 bar zu dem in F i g. 3 dargestellten Fertigteil 7 Vorpreßkörper und das zugehörige Fertigteil, ein ebenfalls einer Tellerfeder umgeformt. Beim Umformen Kegelrad des erfindungsgemäßen Verfahrensund traten in keinem Falle Risse auf und erhöhte sich die

F i g. 6 GefUgeaufnahmen des Zahnfußes des Kegel- io Dichte auf über 7,85 g/cm³, was einer Dichte von 99,5%

rades gemäß Fig.5 in dreißigfacher und fünfzigfacher der theoretischen Dichte entspricht. Der Materialfluß

Vergrößerung. beim Umformen ergab das aus der Aufnahme der F i g. 4

. ersichtliche zeilige Gefüge mit besonders hoher

^BelsP^|el ' Festigkeit in radialer Richtung.

In Rahmen von Vergleichsversuchen wurden zu- 15 ...

nächst in üblicher Weise aus Eisenpulver Vorpreßkör- Beispiel 4

per 1 mit einer Dichte von 6,0 bis 6,5 g/cm³ hergestellt, Bei einem weiteren Versuch wurden unter Verwen-

die wie aus Fig. t ersichtlich, etwa die Gestalt des dung eines unlegierten Eisenpulvers in üblicher Wei■·<· Fertigteüs 2, einer Tellerfeder, besaßen. Die Verpreß- V^rprcßkörpcr 8 (Fig. 5) auf cüic Dichte von 5,0 bis körper wurden erwärmt, und im Temperaturbereich von 20 6,5 g/cm³ kaltgepreßt und auf eine Verdichtungstempe-800 bis 1100°C mit einem Druck von 1 bis 1,4 bar ratur von etwa 1100°C gebracht. Die Vorpreßkörper fertiggepreßt. Die fertigen Tellerfedern besaßen eine wurden in einer Hitze mit einem Druck von 0,5 bis Dichte von 7,75 bis 7,8 g/cm³, die angesichts der 0,7 bar einstufig verdichtet und dabei auf eine Dichte theoretischen Dichte von 7,87 g/cm³ ein Anzeichen für von 7,4 bis 7,6 g/cm³ gebracht. Die verdichteten eine erhebliche Restporosität ist. 25 Vorpi cUkörper 9 wurden sodann gleich einem Preß-

D- ■ 1 ) druck von 0,5 bis 0,7 bar zu dem in F i g. 5 dargestellten

^pie Kegelrad 10 umgeformt. Das Fertigteil besaß eine

Bei einem weiteren Vergleichsversuch wurden Dichte v; .: 7,85 g/cm³ und damit eine Dichte von über zylindrische Vorpreßkörper 3 mit einer Dichte von 6,0 99% der theoretischen Dichte. Die Schlagbiegefestigbis 6,5 g/cm³ der in F i g. 2 dargestellten Art auf etwa 30 keit am Zahnfuß betrug 85 J und lag damit bei 70% der 1100⁰C erwärmt und beim Pressen mit einem Druck von Kerbschlagzähigkeit eines einsatzgehärteten Kegelra-1 bis 1,4 bar verdichtet und gleichzeitig in die Form von des aus dem Stahl 23 Cr Mo B 33, obgleich das Tellerfedern 4 gebracht. Dabei zeigte sich, daß die Ausgangspulver keinerlei Legierungszusätze enthielt, fertigen Tellerfedern zwar eine Dichte von 7,6 bis Die günstigen Eigenschaften des in der vorerwähnten 7,85 g/cm³ aufwiesen, jedoch mit zunehmendem Durch- 35 Weise hergestellten Kegelrades sind nicht nur durch messer mehr und mehr periphere Risse auftraten, die dessen hohe Dichte, sondern auch durch die starke eine Verwendung der Tellerfedern unmöglich machten. Zeiligkeit bzw. Anisotropie des Gefüges am Zahnfuß _R . · 1 -> bedingt, wie aus den Gefügeaufnahmen der F i g. 6 ohne

^{öeispiel J} weiteres ersichtlich ist.

Bei einem weiteren Versuch wurden Vorpreßkörper 5 40 Im Gegensatz dazu besaßen in üblicher Weise der in Fig. 3 dargestellten Art mit einer Dichte von 6,0 pulvermetallurgisch hergestellte Kegelräder am Zahnbis 6,5 g/cm³ auf 800 bis 1100⁰C erwärmt und fuß eine völlig unzui eichende Schlagbiegefestigkeit von erfindungsgemäß zunächst in einer ersten Preßphase lediglich 30 bis 50% der Schlagbiegefestigkeit regulimit einem Druck von 0.5 bis 0,7 bar auf eine Dichte von _nisch hergestellter und kaltfließgepreßter Kegelräder.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum pulvermetajlurgischen Herstellen von Genauteilen, bei dem ein kaltgepreßter Vorpreßlcörper warmumgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, da0 der Vorpreßkörper beim Warmpressen in einer ersten Phase zunächst nur verdichtet und in einer zweiten Phase umgeformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verdichtete Vorpreßkörper mehrfach umgeformt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorpreßkörper ohne zu sintern erwärmt, verdichtet und umgeformt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorpreßkörper gesintert, verdichtet und umgeformt wird.

5. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorpreßkörper diffusionsgeglüht, verdichtet und umgeformt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen, Verdichten und Umformen in einer Hitze erfolgt

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorpreßkörper überhitzt und auf die Verdichtungstemperatur abgekühlt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich dem Umformen ein Sintern, Glühen, Härten odeir Vergüten anschließt.