DE2460013A1 - Verfahren zum herstellen metallischer formkoerper - Google Patents

Verfahren zum herstellen metallischer formkoerper

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Description

Dipi.-lng. H. Sauerland · Dr.-lng. R. König - Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 4ddd Düsseldorf 3D · Cecilienallee 76 · Telefon 43373a
18. Dezember 1974 29 658 K
Sintermetallwerk Krebsöge GmbH, 5608 Krebsöge/Rhld.
"Verfahren zum Herstellen metallischer Formkörper"
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen metallischer Formkörper mit in metallischer Bettungsmasse eingelagerten diskreten Teilchen.
Formkörper der vorerwähnten Art lassen sich beispielsweise durch Gießen herstellen. So ist es bekannt, metallkeramische Verbundkörper in der Weise herzustellen, daß in einer Gießform stückiger Korund mit schmelzflüssigem Aluminium umgössen wird. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig, weil der Verbundkörper über den Schmelzfluß erzeugt wird. Außerdem ergeben sich Schwierigkeiten, die Korundstückchen an der vorgesehenen Stelle in der Gießform bzw. in dem schmelzflüssigen Metall zu halten.
Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens ergibt sich, wenn es beim Herstellen des Verbundkörpers nicht zu einer festen Verbindung und/oder einer Umsetzung zwischen der metallischen Bettungsmasse und den eingelagerten Teilchen kommen soll. Insoweit ist das bekannte Verfahren auf die Verwendung eingebetteter Teilchen beschränkt, die gegenüber dem schmelzflüssigen Metall inert bzw. ausreichend beständig sind. So können beispielsweise Teilchen
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aus einem bei niedriger Temperatur schmelzenden Metall bei dem bekannten Verfahren nicht eingesetzt werden, weil solche teilchen durch das schmelzflüssige Metall angegriffen bzw. mindestens teilweise gelöst werden.
Um die mit der Verwendung schmelzflüssiger Metalle verbundenen Schwierigkeiten zu vermeiden, ist es bekannt, Verbundkörper durch sogenanntes Sprengplattieren herzustellen; Dabei werden beispielsweise Hartmetallkugeln in einen regulinisch hergestellten Metallträger bei Normaltemperatur nach Art eines Explosionsumformens hineingedrückt. Die Anwendung dieses Verfahrens ist jedoch wegen der für das Verformen des Trägermetalls erforderlichen hohen Kräfte auf das Einbetten verhältnismäßig kleiner Kugeln beschränkt und läßt sich mit anders gestalteten, insbesondere ungleichmäßigen, beispielsweise kantigen Teilchen nicht durchführen. Hinzu kommt, daß sich das Sprengplattieren nur mit solchen Werkstoffkombinationen durchführen lässt, die einen verhältnismäßig hohen Härteunterschied besitzen. Dabei besteht jedoch die Gefahr, daß es im Wege eines Kaltschweißens zu einer metallischen Bindung zwischen den Kugeln und dem Trägermetall kommt. Dies ist dann von Nachteil, wenn die Bindung zwischen den Kugeln und der Bettungsmasse nur vorübergehend sein oder sich die Kugeln unter bestimmten Bedingungen aus der Bettungsmasse lösen sollen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnten Nachteile zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren zu schaffen, mit dem diskrete Teilchen in eine metallische Bettungsmasse eingelagert werden können, ohne daß es dabei zu einer festen Bindung und/oder einer Umsetzung zwischen der Bettungsmasse und den Teilchen kommt.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Teilchen zunächst an einem metallischen Träger fixiert und alsdann mit einer metallischen Umhüllung versehen werden, wonach der Gesamtkörper aus Träger, Teilchen und Umhüllung isostatisch gepreßt wird.
Der Träger und/oder die Umhüllung können aus regulinischem Werkstoff, beispielsweise aus einem niedriggekohlten Stahl, bestehen. Als regulinischer Werkstoff eignet sich auch Blech, das sich beim isostatischen Pressen um die Teilchen herumlegt. Bestehen Träger und Umhüllung aus einem regulinischen Werkstoff, dann kann durch das isostatische Pressen eine Art Kugelkäfig hergestellt werden. Der freie Raum zwischen dem Träger und einer regulinischen Umhüllung kann auch mit Pulver gefüllt sein.
Vorzugsweise besteht die Umhüllung aus Metallpulver, mit dem die Teilchen nach dem Fixieren an dem Träger umfüllt werden. In diesem Falle muß der Preßkörper anschließend gesintert werden.
Besonders eignet sich beispielsweise als Umhüllung bzw. Bettungsmasse ein Pulvergemisch aus 4% einer Mangan-Chrom- Molybdän- Vorlegierung mit beispielsweise 23 bis 25% Mangan, 23 bis 259& Molybdän, 23 bis 25% Chrom, Rest Eisen sowie 0,4 bis 0,6% Kohlenstoff, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen. Geeignet ist auch ein Pulver aus 4% Chromkarbit (Cr3C2) und 3% Nickel, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen oder aus 1 bis 6% Mangan als Ferromangan mit 80% Mangan, Rest Eisen einer Teilchengröße unter 63 um, 1 "bis 3% Kupfer als Ferrokupfer mit 80% Kupfer und einer Teilchengröße unter 150 um sowie
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0,1 Ms 0,4% Kohlenstoff, Rest Eisen einschliesslich erschmelzungs"bedingter Verunreinigungen oder aus 4% Mangan, 1,596 Kupfer und 0,2% Kohlenstoff, Rest Eisen.
Pas erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für eine große Zahl von Metall/Metall- oder Metall/Keramik-Kombinationen, solange es nicht beim Sintern zum Aufschmelzen der diskreten Teilchen kommt.
Da die Sintertemperatur wesentlich unter der Schmelztemperatur der Bettungsmasse liegen kann, kommt naturgemäß für die Teilchen eine weitaus größere Zahl von Werkstoffen infrage als beim Einbetten in eine zunächst schmelzflüssige Bettungsmasse. Andererseits lassen sich im Gegensatz zum Sprengplattieren auch we.idaere Werkstoffe für die Teilchen und härtere Werkstoffe für den Träger und/oder die Umhüllung verwenden. Die Teilchen können zudem auch unregelmäßig geformt sein, da das Pulver aufgrund seines FormfüllungsVermögens die Teilchen völlig einzuhüllen vermag und zudem noch vorverdichtet werden kann. Vorzugsweise besitzen die Teilchen jedoch eine höhere Härte und/oder größere Dichte als der Träger und/oder die Umhüllung.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß sich die Bindung der diskreten Teilchen im Träger und in der metallischen· Bettungsmasse durch Wahl einer entsprechenden Sintertemperatur und -dauer in weiten Grenzen einstellen läßt. So können beispielsweise Hartmetallkugeln mit verhältnismäßig loser Bindung in eine im wesentlichen aus Eisen bestehende Bettungsmasse eingelagert werden. Dabei kann die Bettungsmasse, anders als beim Sprengplattieren, eine verhältnismässig hohe Härte besitzen und gegebenenfalls sogar sehr spröde sein. Andererseits lässt sich die Bindung der Teilchen
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aber auch dadurch einstellen, daß die Teilchen eine beim Sintern Brücken bildende Deckschicht, beispielsweise aus Kupfer oder eine inerte Oxydschicht aufweisen.
Das Fixieren der diskreten Teilchen kann in Vertiefungen des Trägers, beispielsweise in Rillen oder Kalotten, ge gebenenfalls unter Zuhilfenahme eines Bindemittels erfolgen. Die Teilchen können jedoch erfindungsgemäß auch zwischen einem außen glatten Träger und einer Haltehülse gleichsam eingespannt werden, die vor dem isostatischen Pressen entfernt wird. Das kann noch während des Einfüllens des Pulvers oder unmittelbar vor Preßbeginn erfolgen. Die Haltehülse läßt sich mühelos aus dem Preßwerkzeug entfernen, wenn das Werkzeug in Vibration versetzt wird. Damit isjfc gleichzeitig der Vorteil eines Vorverdichtens des Pulvers verbunden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, Teilchen aus magnetisierbarem Werkstoff oder mit einer magnetisierbaren Deckschicht mit Hilfe eines magnetischen Feldes an dem Träger zu fixieren. Dies bietet ebenso wie die Verwendung einer Haltehülse den Vorteil, daß keinerlei bleibende Bindung zwischen den Teilchen und dem Träger erforderlich ist.
Der Träger kann spannabhebend oder durch Gießen hergestellt werden; besonders geeignet sind jedoch pulvermetallurgisch hergestellte Träger, die schon beim Pressen des Pulvers mit den erforderlichen Vertiefungen versehen werden können. Sofern der Träger eine ausreichende Festigkeit besitzt, braucht er nach dem Pressen nicht unbedingt gesintert zu werden, er kann jedoch auch bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur von beispielsweise 700 bis 900°C gesin-
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tert werden. Dies besitzt den Vorteil, daß sich dann die Teilchen beim isostatischen Pressen leicht in den weichen Träger hineindrücken. Andererseits kann ein Träger aber auch gehärtet werden,um eine möglichst hohe Lagegenauigkeit der Teilchen beim anschließenden isostatischen Pressen zu erreichen. Ein verhältnismäßig harter Träger ergibt sich auch, wenn die Sintertemperatur 1000 bis 13000C, beispielsweise 12800C beträgt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 ein Preßwerkzeug nach dem Einfüllen einer Hülle aus Pulver und
Fig. 2 das in Fig. 1 dargestellte Preßwerkzeug nach dem Pressen.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich beispielsweise so durchführen, daß die diskreten Teilchen 1, beispielsweise Hartmetallkugeln, mit Hilfe einer Haltehülse 2 konzentrisch und gleichmäßig an der Außenwandung eines pulvermetallurgisch oder regulinisch hergestellten zylindrischen Trägers 3 fixiert werden. Dies geschieht in einem aus einem unteren Deckel 4 und einem elastischen Preßmantel 5 sowie einem Kern 6 bestehenden Preßwerkzeug. Die Hartmetallkugeln 1 befinden sich dabei in achsparallelen Rillen 7 des Trägers 3. Nach dem Einfüllen des Pulvers 7 wird die Haltehülse 2 langsam aus dem Werkzeug gezogen, wobei das Pulver in den Zwickelraum 8 zwischen den Kugeln 1 eindringt. Alsdann wird der obere Deckel 9 aufgesetzt und das Werkzeug mit Dichtungsmanschetten 10
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versehen sowie in eine übliche isοstatische Presse eingesetzt, in der der Preßmantel 5 durch ein flüssiges Medium mit einem Druck von 30 Ms 80 hb, vorzugsweise 60 hb beaufschlagt und das Pulver radial verdichtet wird.Dabei ergibt sich ein die Kugeln 1 in der gewünschten Weise enthaltender Formkörper 1,3,7, der bei entsprechender Wahl der Sintertemperatur so gesintert werden kann, daß es zu keiner metallischen Bindung zwischen den Kugeln 1 und der Bettungsmasse 7 kommt. Das Sintern erfolgt bei Temperaturen von 1000 bis 13000C, vorzugsweise bei 12800C, im Vakuum oder unter Schutzgas in gegetterten Kästen. In ähnlicher Weise kann unter Verwendung eines hohlzylindrischen Trägers, dessen Innenwandung beispielsweise mit Kugeln besetzt ist, auch ein hohlzylindrischer Formkörper hergestellt werden, wobei der elastische Preßmantel alsdann eine Art Kern bildet.
Im Rahmen eines Versuches wurde in ein isostatisches Preßwerkzeug der in der Zeichnung dargestellten Art ein Pulver der oben angegebenen Zusammensetzung eingefüllt und nach dem Einsetzen in eine übliche isostatische Presse bei einem Druck von 60 hb zu einem zylindrischen Träger gepreßt. Der Träger wurde alsdann im Vakuum bei 12800C gesintert und anschließend auf dem Umfang mit achsparallel verlaufenden Längsrillen versehen. Der zylindrische Träger wurde alsdann wiederum in das Preßwerkzeug eingesetzt und unter Zuhilfenahme einer Haltehülse mit Kugeln aus einer Wolfram-Nickel-Eisen-Legierung mit 95% Wolfram, 3,5% Nickel und 1,5% Eisen versehen, Anschließend wurde der freie Innenraum des Preßwerkzeugs mit einem Pulver der oben angegebenen Art gefüllt und unter gleichzeitigem Vibrieren die Haltehülse langsam aus dem Werkzeug gezogen. Danach wurde das Werkzeug in eine übliche isostatische Presse eingesetzt und erneut bei einem Driick von 60 hb
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gepreßt. Der Preßkörper wurde anschließend im Vakuum 1 bis 3 Stunden bei 12800C gesintert.
Bei weiteren Versuchen kamen schon beim Pressen mit Rillen versehene, bei 700 bis 90O0C gesinterte sowie gehärtete Träger zum Teil aus reinem Eisenpulver oder auch regulinische Träger aus niedrig gekohltem Stahl zur Verwendung. So wurden beispielsweise in den Ringraum zwischen zwei zylindrischen Trägern aus einem üblichen niedrig gekohlten Stahl Kugeln gebracht und anschließend zusammen mit den beiden Trägern in einer isostatischen Presse bei einem Druck von 60 hb verpreßt. Dabei legte sich das regulinische Material formschlüssig um die Kugeln und ergab sich eine Art Kugelkäfig, der anschließend mit Pulver umfüllt und in der vorerwähnten Weise isostatisch gepreßt und gesintert wurde.
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Claims (8)

Sintermetallwerk Krebsöge GmbH, 5608 Krebsöge/Rhld. Patentansprüche;
1. Verfahren zum Herstellen von Formkörpern mit in metallischer Bettungsmasse eingelagerten diskreten Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen an einem metallischen Träger befestigt und mit einer metallischen Hülle versehen werden, und daß der Träger mit den Teilchen und der Umhüllung isostatisch
vgrpreßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen mit Metallpulver: umhüllt werden und der Preßkörper gesintert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen in Vertiefung des Trägers fixiert werden.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen magnetisch fixiert werden.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen zwischen dem Träger und einer Haltehülse fixiert werden und die Hülse vor dem isostatischen Pressen entfernt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
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dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver beim Einfüllen und/oder Entfernen der Hülse vibrationsverdichtet wird.
7· Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger pulvermetallurgisch hergestellt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßkörper mit einem -Metallpulver umgeben, isostatisch verpreßt und gesintert wird.
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