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Verfahren zur Herstellung eines Sintermetallteils
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines
im wesentlichen vollständig verdichteten aufgekohlten niedriglegierten E is en -S
int e rme tallte ils .
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Derartige niedriglegierte Eisen- oder Stahl-Sintermetallteile stellen
Sintermetall-Aquivalente der durch Warmverformung be -arbeiteten Stahlerzeugnisse
der Serie AISI 4000 und 4600 dar und sie weisen insbesondere gesinterte Kohlenstoffwerte
im Bereich von 0,22 bis 0,37 Gewichtsprozentnauf.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein verbessertes Verfahren
zur Aufkohlung des brikettierten Sintermetall-Formlinges während des Sinterschrittes
oder alternativ danach und vor dem Schmiedeschritt.
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Bisher wurden derartige niedriglegierte Stahl-Sintermetallteile zuerst
ausgehend von einem gesinterten Formling durch einen Schmiedevorgang auf die volle
Dichte gebracht, wie dies beispielsweise in der US-Patentschrift 3 772 935 beschreiben
ist, worauf sie nachfolgend durch Verfahren aufgekohlt wurden,
wie
sie für durch Warmverformung bearbeitete Stahlerzeugnisse üblich sind. Derartige
übliche Wärmebehandlungsverfahren schließen die Aufkohlung auf flüssiger und auf
Gasbasis ein.
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Wenn eine Gas-Aufkohlung verwendet wiS, kann entweder ein postenweise
arbeitender Ofen oder ein kontinuierlich arbeitender Ofen verwendet werden. Die
Parameter, die gesteuert werden müssen, um eine Aufkohlung eines vollständig verdichteten
Teils mit spezifischer Härte, Außenzonentiefe und Kohlenstoffgradient zu erzielen
sind allgemein gut bekannt und sie sind beispielsweise inder Literaturstelle "Metals
Handbook", 8. Ausgabe, Vol. 2, Seiten 67 bis 114 der American Society for Metals
beschrieben.
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Der Erfindung Liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art zu schaffen, bei dem sich eine schnellere und wirksamere Aufkohlung
der Sintermetallteile ergibt.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird der brikettierte Formling entweder während des
Sinterns oder darauffolgend in einem Zwei-Zonen-Betrieb aufgekohlt, und zwar vor
der weiteren Verfestigung des Formlings oder Preßlings auf einen vollständig verdichteten
Zustand und auf die endgültige Form, beispielsweise durch Schmieden Die hierdurch
erzielten Vorteile gegenüber üblichen Aufkohlungstechniken für irgendwelche speziellen
Teile sind erheblich und umfassen (a) eine schnellere Aufkohlung weil der Formling
oder Preßling höchstens 70 bis 90 % seiner vollen Dichte aufweist, so daß der aus
dem kohlenstoffreichen Aufkohlungsgas freiwerdende Kohlenstoff schneller in den
Formling eindringt als bei üblichen Verfahren zur Aufkohlung von durch Warmverformung
bearbeiteten StahlerzeugnissenD (b) die weitere Beschleunigung
der
Aufkohlung auf Grund der Tatsache, daß die Außenzonentiefe des Formlings beträchtlich
niedriger sein kann als die erforderliche Außenzonentiefe des fertigen geschmiedeten
Teils, wenn der Preßling in dem Schmiedegesenk so ausgerichtet wird, daß durch Kompression
und Materialfließen die Außenzonentiefe an der kritischen Wand des Teils vergrößert
wird.
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Weitere zusätzliche Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren bestehen
in der Verringerung der Investitionskosten für die Geräte, in der größeren Ausnutzung
des Fabrikraumes, in der größeren Lebensdauer der Aufkohlungseinrichtungen und in
dem geringeren Aufwand an Aufkohlungsgas, Wärme und anderen Einrichtungen sowie
in einer verringerten Arbeitszeit, wobei die gleichen Ergebnisse erzielt werden,
wie sie vorher mit üblichen Verfahren erzielbar waren.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform des gesamten Verfahrens, das mit dem Schritt der Mischung der einzelnen
Bestandteile beginnt und mit den auf den Schmiedevorgang folgenden Schritten der
Absehreckung und Spannungsbeseitigung endet.
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Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Statornockens einer Transmissionskupplung,
der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde; Fig 3 eine uerschnittsanscht
des Statornockens der Kupplung lang der linie A-A nach Fig. 2, Fig 4 eine auseinandergezogene
des gesintetten aufgekohlten Preßlings dem Schmiede
gesenk vor dem
Schmieden.
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Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform des Verfahrens schließt
die Schritte der Mischung bei 1, des Pressens oder des Brikettierens bei 2, des
Sinterns und Aufkohlens bei 3, 3', des Schmiedens bei 4, des Abschreckens bei 5
und des Entspannens bei 5 ein.
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Der Schritt der Mischunmraßt die Mischung entweder des legies ten
Metallpulvers oder einer Kombination von Metallpulvern, die zusammen das gewünschte
Stahllegierungspulver bilden, mit Graphit und einem Gesenk-Schmiermittel beispielsweise
Acrawax. Der Zweck der Hinzufügung von Graphit besteht in der Erhöhung des Kohlenstoffgehalts
des Formlinges, wie dies gut bekannt ist. Das Acrawax dient als Gesenkschmiermittel
für den Formling, wie dies gut bekannt ist. Anstelle dieser Zusätze können irgendwelche
anderen bekannten äquivalenten Zusätze verwendet werden.
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Der Preß- oder Brikettierungsschritt bei 2 umfaßt das Pressen der
Pulvermischung auf eine eine geringe Dichte aufweisende halbfertige Form. In dem
in Fig. 4 gezeigten Beispiel ähnelt diese halbfertige Form einem Ring.
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Der Schritt des Sinterns und Aufkohlens umfaßt gemäß einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel das gleichzeitige Sintern und Aufkohlen des Formlinges, wie
es bei dem Schritt 3 gezeigt ist und dieser Schritt kann als Einzelofen-Einzelzonen-Vorgang
bezeichnet werden. Als alternative Möglichkeit kann, wie dies in gestrichelten Linien
gezeigt ist, das Sintern und Aufkohlen des Formlinges in getrennten aufeinanderfolgenden
Schritten erfolgen, wie dies bei 3' gezeigt ist. Dieser Vorgang kann als Einzelofen-Zweizonen-Vorgang
bezeichnet werden. Bei Jeder Ausführungsform sollte ein einziger üblicher Sinterofen
von der horizontalen mit kontinuierlicher Speisung arbeitenden Art verwendet werden,
der mit den zur Schaffung der Aufkohlungsgasatmosphäre erforderlichen Einrichtungen
und Steuerelementen versehen ist.
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Bei einem Verfahren, der bei 3 dargestellt ist, bei dem ein einziger
Ofen mit einer einzigen Zone verwendet wird, werden die üblichen Sinterbedingungen,
nämlich Temperatur und Zeit, in dem Ofen aufrechterhalten und es wird in dem gesamten
Ofen eine Aufkohlungsgasatmosphäre entweder mit oder ohne Zwangsumlauf des Gases
geschaffen, beispielsweise durch einen eingebauten Lüfter.
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Bei dem bei 3' dargestellten Verfahren unter Verwendung eines einzigen
Ofens mit zwei Zonen dient die erste Zone hauptsächlich zum Sintern, während die
zweite Zone zum Aufkohlen dient.
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Wie dies gut bekannt ist, umfassen übliche Sinteröfen, wie sie für
das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden, eine Anzahl von Zonen, die aufeinanderfolgend
eine Vorheizzone zum Ausbrennen und Austreiben der Schmiermittel und eine bis drei
getrennte heiße Zonen zum Sintern einschließen und zwar in Abhängigkeit von der
Art ihres Betriebs. Zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird als erste Zone
die heiße Zone bezeichnet, unabhängig davon, ob sie eine Anzahl von Zonen für die
Sinterzone umfaßt. In diesem Fall liegt die Temperatur in der ersten Zone im Bereich
von 10920C bis 11370C und die Teile verbleiben auf dieser Temperatur für eine Zeitperiode,
die ausreicht, um das gewünschte Ausmaß des Sinterns zu erzielen, während in der
zweiten Zone die Aufkohlungstemperatur im Bereich von 815 bis 98100 liegt, und zwar
wiederum abhängig von den Eigenschaften des fertigen Teils, des Gases und anderer
Parameter.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin möglich, den
Sinter- und Aufkohlungsschritt 3' in zwei getrennten Öfen durchzuführen, von denen
der eine zum Sintern und der andere für das darauffolgende Aufkohlen dient.
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Keine der vorstehend beschriebenen Möglichkeiten wird als besonders
vorteilhafte gegenüber den anderen Möglichkeiten betrachtet, weil in jedem Fall
die speziellen Eigenschaften und Vorschriften für das fertige Teil betrachtet werden
müssen,
damit die wirkungsvollste Ausgestaltung des Verfahrens
erreicht wird. Wenn Jedoch eine genaue Kontrolle der Außenzonentiefe oder des Kohlenstoff-
und Härtegradienten erforderlich ist, ist es im allgemeinen vorteilhafter, den Zweizonen-Sinter-und
Aufkohlungsschritt 3' zu verwenden. Spezielle Beispiele werden im folgenden angegeben.
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Nach dem Sintern und Aufkohlen wird der Form- oder Preßling,wie bei
4 gezeigt, auf seine endgültige Form geschmiedet und dann bei 5 abgeschreckt. Das
Schmieden erfolgt bei einer Preßling-Temperatur, die allgemein im Bereich von 870
0c bis 953,50C liegt. Die Temperatur des geschmiedeten Teils läßt man dann sich
stabilisieren bevor das Teil bei 5 abgeschreckt wird, vorzugsweise in einem Abschreckmittel
wie z.B. einem Ö1. Das allgemein bevorzugte Schmiede-/Abschreekverfahren ist ausführlicher
in der deutschen Patentschrift 0 (deutsche Patentanmeldung mit dem gleichen Anmeldetag,
unser Aktenzeichen 15 613) der gleichen Anmelderin beschrieben. Ein abschließender
Schritt der Entspannung, der bei 6 gezeigt ist, kann für spezielle Anwendungen weiterhin
wünschenswert sein. Das Ergebnis ist ein vollständig verdichtetes voll aufgekohltes
Sintermetallteil mit einer minimalen Rockwell-Härte von Rc 60 auf der Außenfläche,
mit einem erforderlichen Härtegradienten und einem zähen inneren Kern zur Erzielung
der gewünschten Festigkeitseigenschaften. Eine bekannte Anwendung der vorliegenden
Erfindung besteht in der Herstellung von Fahrzeug-Kraftübertragungsteilen, wie z.B.
der Nocken von Freilaufkupplungen und dergleichen. Weiterhin müssen Zahnräder und
Wälzlagerbauteile im allgemeinen die gleichen Bedingungen erfüllen.
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Ein typischer Stator-Kupplungsnocken ist in Fig. 2 gezeigt, wobei
der Laufring 10, in dem die Kupplungsrollen laufen, die kritische Wandoberfläche
bildet die eine Abnutzung ausgesetzt ist und daher eine groBe Härte erfordert.
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Entsprechend einem zweiten Merkmal derErfindung ist der Preßling mit
einem Stauchverhltnis son betrEehtlich mehr als 1:1
ausgelegt,
so daß ein Metallfließen im Unterschied zu einer Metallpulver-Verdichtung des Preßlings
in dem Schmiedegesenk erfolgt. Diese Technik wird zusammen mit einer geeigneten
Auswahl der Geometrie des Preßlings in dem Gesenkhohlraum dazu verwendet, ein Fließen
des Metalls im Bereich der kritischen Wandstärke hervorzurufen, was wiederum eine
Vergrößerung der gewünschten Außenzonentiefe ergibt. Diese rlatsache, die überraschend
festgestellt wurde, wird mit Vorteil dadurch ausgenutzt, daß der Form- oder Preßlings
während des Sintervorganges bis zu einer geringeren Tiefe aufgekohlt wird, als sie
für das fertige Schmiedeprodukt erforderlich ist und die endgültig erforderliche
Tiefe bzw. die Differenz der Tiefe wird beim Schmieden erreicht. Das Ergebnis ist
ein verbesserter Wirkungsgrad bei dem Sinter-Aufkohlungsschritt, ohne daß an anderer
Stelle in dem Verfahren eine Verringerung des Wirkungsgrades auftritt. Es wurde
weiterhin festgestellt, daß das Fließen des Metalls die Gesamtfestigkeit des geschmiedeten
Teils vergrößert. Zur Erläuterung des Begriffes des Stauohverhältnisses ist in Fig.
3 der Schnitt A-A des geschmiedeten Statorkupplungsnockens nach Fig. 2 voll ausgezogen
dargestellt. Darüber ist schematisch mit gestrichelten Linien ein Preßling p' mit
einer Breite btund einer Dicke a' zur Durchführung des erSindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt, der ein Stauchverhältnis aufweist, das wesentlich größer als 1:1 ist.
Weiterhin ist mit gestrichelten Linien ein Form- oder Preßling p" mit einer Breite
b" 1 und einer Dicke a" gezeigt, der ein übliches Stauchverhältnis darstellt, das
etwas größer als 1:1 ist.
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Jeder Form- oder Preßling p' und p" welse einen ebenen Oberflächenbereich
auf, der mit Ap' bzw. Ap" in Fig. 2 bezeichnet ist. Das Stauchverhältnis für das
angegebene Beispiel ist: Af - A0 A 7 x 100 o der ebene o Oberflächenbereich es gesiedeten
Teils, der der Oberflächenbereich des Teils vor dem Schmieden und f\- = Bat,
In
der Praxis hat sich ein Stauchverhältnis von allgemein 40 % als zweckmäßig herausgestellt.
Ein annehmbares Stauchverhältnis wUrde im Bereich von 10 ffi bis 80 % liegen. Selbstverständlich
muß in den Beispielen nach Fig. 2 und 3 die Form-oder Preßlinghöhe a' so weit vergrößert
werden, daß das Volumen des Form- oder Preßlinges p' gleich dem Volumen des üblichen
Preß- oder- Formlinges p" ist, um eine vollständige Verdichtung sicherzustellen.
Das übliche Stauchverhältnis wird allgemein als eine Toleranz von 1 + 0'1/1 angegeben,
um eine volle Ver-- 0,0 dichtung von 99,6 bis 100 % der Schmiededichte sicherzutellen.
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Ein geeignetes übliches Schmiedegesenk ist in Fig. 4 gezeigt, in der
ein Gesenk 20 mit einem Kern 22, ein unterer Preßstempel 24 und ein oberer Preßstempel
26 gezeigt ist. Der untere PreBstempel 22 und das Gesenk 20 bilden den Hohlraum
28, in den der Form- oder Preßling p' eingelegt wird. Der Gesenkhohlraum weist eine
größere Breite als der Preß- oder Formling auf, wie es weiter oben erläutert wurde.
Beim Absenken des oberen Preßstempels 26 mit einer Kraft in der Größenordnung von
84,4 bis 127 kp/mm2 wird eine vollständige Verfestigung erzielt.
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Obwohl Fig. 4 nicht maßstäblich gezeichnet ist, soll sie zeigen, daß
die Breite s des Gesenkhohlraums größer als die Breite b' des Form- oder Preßlinges
p' ist und daß, wie dies durch die gestrichelte Bezugslinie r gezeigt ist, der Form-
oder Preßling p' so bezüglich des Hohlraumes 28 bemessen und ausgerichtet ist, daß
im wesentlichen der gesamte laterale Metallfluß zwischen der kritischen Wand 10
und der daran anliegenden Gesehkoberfläche des Kerns 22 erfolgt.
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Im folgenden werden in Tabelle I spezielle Beispiele von nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Teilen angegeben.
Tabelle
I
| Teil 1 Teil 2 |
| Eigenschaften |
| Außendurchmesser (cm) 11,481 11,481 9,25 |
| Innendurchmesser (cm) 8,941 8,941 6,99 |
| Höhe (cm) 3,1 3,1 1,5 |
| spezielle Eigen- |
| schaften (Zahnhärte) Innendurchmesser und Außen- |
| durchmesser Außenzonen ge- |
| härtet |
| Kern mit niedrigem Kohlen- |
| stoffgehalt |
| ebener Oberflächenbe- |
| reich (cm ) 42,07 42,07 27,4 |
| Sinter 400 400 400 |
| Metallpulverzusammen- 4620 4620 46F27 |
| setzung |
| Sinter- und Aurkohlungs- |
| bedingungen |
| endothermes Gas(l/h) 67920 67920 67920 |
| Temperatur (°C) 1120+8,3 1120+8,3 870,2 1120+8,3 |
| bis925,7 |
| Zeit (Minuten) 30 30 10-20 30 |
| Taupunkt (°C) -22 bis -20,5 b. -17,5 bis -23,5 bis-27,5 |
| -27,5 -27>5 12 |
| Anzahl der Öfen eins zwei eins |
| Anzahl der Zonen eins zwei eins |
| Schmieden: |
| Druck (kp/mm2) 98,4-127 98,4-127 98,4-127 |
| Temperatur bOeim |
| Schmieden ( C) |
| abschrecken 4 bis 8 Sek. 4 bis 8 Sek. 4 bis 8 Sek. |
| Verweilzeit vor Verweilzeit Verweilzeit vor |
| dem Abschrecken vor d. Ab- dem Abschrecken |
| schrecken |
| Bad zusammensetzung Park AAA-51 Park AAA-Ö1 Park AAA-Ö1 |
| Badtemperatur (°C) 60-82 60-82 60-82 |
| abschließende Eigen- Kernhärte Kernhärte Kernhärte |
| schaften - Härte: 31-48 R 31-48 R c 31-48 Rc |
| OberfläachenhErte Oberflächen- |
| 62 R c max. härte 62 R c härte 62 Rc |
| Außenzonentiefe(mm) 1,524 min 2,286 min. |
| 2,032 max. 3,048 max. |
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Das Teil Nr. 1 war ein Freilaufkupplungsnocken, der die gleiche allgemeine
Form wie das Teil Nr. 2 aufwies, das ein Statorkupplungsnocken gem. Fig. 2 war.
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Wie es aus Fig. 1 zu erkennen ist, wurde das Teil 1 sowohl einem Einzeloen-EinzelzonenS
inter- und Aufkohlungsschritt als auch einem Zwe i-Ofen-Zwei-Zonen-S inter-Aufkohlungsschritt
unterworfen.
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Während der Einzonen-Schritt vorteilhaft zum Erreichen einer üblichen
Außenzonentiefe ist, ergibt der Zwei-Zonen-Sinter-Aufkohlungsschritt eine größere
Außenzonentiefe, ohne daß die Zeitdauer vergrößert oder die Temperatur erhöht wird,
die zur Erzielung eines gewünschten Ausmaßes der Sinterung erforderlich ist und
weiterhin wird eine bessere Steuerung der Außenzonentiefe und des Kohlenstoffgradienten
ermöglicht, weil die Aufkohlung bei einer niedrigen Temperatur beendet wird.
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Unter Verwendung üblicher Posten-Aufkohlungstechniken, nämlich Aufkohlen
nach dem Schmieden, wäre es bei dem gleichen Teil erforderlich gewesen, dieses sechs
bis zwölf Stunden bei einer Ofentemperatur von 8980C bis 953,50C aufzukohlen, wobei
eine zusätzliche Diffusion von 2 Stunden bei einer niedrigen Temperatur erforderlich
sein würde.
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Beim Schmieden des Teils Nr. 2 war die erforderliche Außenzonentiefe
für die Abnutzungsoberfläche 10 gleich 1,54 cm. Der Form-oder Preßling a', b wurde
bis auf eine Außenzonentiefe von minimal 1,016 cm autgekohlt und die Vergrößerung
auf den Wert von minimal 1,524cm wurde durch Schmieden mit einem Stauchverhaltnis
von 40 $ erzielte Ptentansprüche: