DE3004209C2

DE3004209C2 - Verfahren zum Verdichten von Pulvern und Metallen und deren Legierungen zu Vorpreßkörpern

Info

Publication number: DE3004209C2
Application number: DE3004209A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Ing. 5630 Remscheid Schelb
Original assignee: Sintermetallwerk Krebsoege GmbH
Current assignee: Sintermetallwerk Krebsoege GmbH
Priority date: 1980-02-06
Filing date: 1980-02-06
Publication date: 1983-02-03
Also published as: ZA81377B; PL229500A1; IT8119563A0; ATA34581A; JPS56123302A; DD155959A5; IN153344B; AU6670581A; ES498931A0; FR2474911B1; CA1186920A; PL128892B1; IT1135339B; NL8100518A; ES8200248A1; US4483820A; FR2474911A1; GB2074191A; YU20981A; GB2074191B

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf das Verdichten von mit einem organischen Bindemittel gemischten Pulvern von Metallen und deren Legierungen in einer Teilchengröße von weniger als 600 μπι zu Vorpreßkörpern, die anschließend formfrei ggf. in reduzierender Atmosphäre, (vor-)gesintert und ggf. fertiggepreßt und fertiggesintert, werden. Die hergestellten Vorpreßkörper sind porös. Ein so hergestellter gefilterter Vorpreßkörper kann als Werkstück eingesetzt werden, wo seine Festigkeit den Anforderungen entspricht und wo es auf diese Porosität ankommt oder diese nicht stört Im allgemeinen erfolgt jedoch eine weitere Verdichtung des Vorpreßkörpers durch Pressen und/oder Schmieden, wobei diese weitere Verdichtung im kalten, wärmen oder heißen Zustand durchgeführt werden kann. Das schließt nicht aus, daß der gepreßte oder geschmiedete Vorpreßkörper erneut konventionell einer Fertigsinterung unterworfen wird.

Bei dem bekannten gattungsgemäßen Verfahren (The International journal of Powder Metallurgy & Powder Technology. 1975, Volume 11, No. 3, S. 209 bis 220) ist das organische Bindemittel Saccharose. Das Verdichten des metallischen Pulvers erfolgt in einer dem Vorpreßkörper entsprechenden Form als Vibrationsverdichtung. Die so erreichte Festigkeit reicht nicht aus, um den Vorpreßkörper aus dieser Form herauszunehmen und zu manipulieren. Nichtsdestoweniger wird hier von einem Vorpreßkörper gesprochen. Die Sinterung erfolgt in der Form. Das bringt Probleme. Tatsächlich kommt man im Rahmen der bekannten Maßnahmen kaum zu Vorpreßkörpern und (vor-)gesinterten Vor· preßkörpern, deren physikalische Parameter ausreichend homogen sind. Porosttat und Dichte, bei Verwendung unreduzierter metallischer Pulver aber auch der Reduktionsgrad nach der Sinterung in reduzierender Atmosphäre sowie der Sintergrad können von Vorpreßkörper zu Vorpreßkörper und in einem Vorpreßkörper bereichsweise in starkem Maße schwanken. Das gilt auch für Aufkohlungsparameter, wenn zusätzlich mit der Sinterung eine Aufkohlung durchgcführi wird. Das gilt im übrigen insbes. dann, wenn es sich um die Herstellung von Vorpreßkörpern für Werkstücke mit mehreren Querschnittssektionen handelt. Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen und ähnliche haben daher noch nicht zur technischen Praxis geführt Die Praxis bevorzugt für die Herstellung von gesinterten metallischen Werkstücken reduzierte Pulver mit möglichst geringen Sauerstoffgehalten, die jedoch teuer sind. Sie werden im übrigen durch Vorpressen mit erheblichen Preßdrücken zum Vorpreßkörper geformt und danach wetterbehfcndelt

In anderen Bereichen der Technik nämlich in der Sparte Sandformen der Gießereitechnik, arbeitet man

ίο seit den Anfängen mit Formsanden und besonderen Gießerei-Formsandbindern. Die Formsandbinder sind ausgewählt, eingerichtet und bestimmt, einer Form oder einem Gießkern ausreichende Festigkeit zu verleihen — und verlieren ihre Bindefähigkeit, wenn ein Abguß erfolgt ist. Das gilt auch für die in neuerer Zeit entwickelten Gießerei-Formsandbinder auf Kunstharzbasis. Im übrigen kennt die Gießereitechnik Kernformmaschinen als Einrichtungen für die maschinelle Herstellung von Gießkernen für Gießereizwecke. Das alles hat die Probleme um die Weiterentwicklung des gatiungsgemäücn Verfahrens der Pulvermetallurgie zur Produktionsreife nicht beeinflußt. Die Gießereitechnik und im Rahmen der Gießereitechnik die Herstellung von Gießereiformen und Gießkernen einerseits, die

2s pulvermetallurgische Herstellung von Sinterformteilen andererseits sind ausweislich der bisherigen Entwicklung als artfremde Fachgebiete anzusehen.

Zur Herstellung von gesinterten metallischen Werkstücken ist es allerdings auch bekannt (DE-AS 19 64 426), aus dem Pulver und einem aushärtbaren Gießharz auf Epoxidharzbasis eine Aufschlämmung herzustellen, diese in eine Form einzugießen und in der Form aushärten zu lassen, um danach den ausgeformten Körper, der als Analogon zu einem Vorpreßkörper des gattungsgemäßen Verfahrens angesehen werden kann, einer mehrstufigen Wärmebehandlung zu unterwerfen, in deren erster Stufe der Binder zersetzt und in deren weiteren Stufen eine Sinterung durchgeführt wird. Auch hier ist die Homogenität der physikalischen Parameter im gesinterten Werkstück der Kritik offen. Sie hängt von der Verteilung des Pulvers in dem fließfähigen

Bindemittel ab und diese Verteilung wird auch durch die Fließvorgänge beim Eingießen in die Form beeinflußt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

Verfahren anzugeben, mit dem ohne Schwierigkeiten Vorpreßkörper und gesinterte Werkstücke herstellbar sind, die sich durch große Homogenität der physikalischen Parameter auszeichnen, und zwar auch dann, wenn es sich um die Herstellung von Werkstücken mit mehreren Querschnittssektionen handelt

7ur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung die Anwendung eines Verfahrens zur Herstellung von Gießkernen mit Kunstharzbinder in einer Kernformmaschine auf das Verdichten von Pulvern von Metallen und deren Legierungen einer Teilchengröße von weniger als 600 μπι zu Vorpreßkörpern, die anschließend formfrei, ggf. in reduzierender Atmosphäre, (vor-)gesintert, und ggf. feniggepreßt und fertiggesintert werden. — Im Rahmen der Erfindung kann grundsätzlich mit den

so verschiedensten Kunstharzbindern gearbeitet werden, wobei nur Vorsorge zu treffen ist, daß die Mischung ausreichend schüttfähig bleibt, um in einer Formmaschine vom Typ einer Kernformmaschine manipuliert zu werden. Als organische Binder können insbes. die üblichen Gießereiformnand-Binder auf Kunstharzbasis eingesetzt werden, wie es bei der Herstellung von Formen und Formkernen aus Formsand im Gießereiwesen üblich ist. Eine bevorzugte Ausführungsform der

Erfindung ist in diesem Zusammenhang dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulver weniger als li>%, vorzugsweise etwa 1%, Phenolharzbinder zugesetzt werden. Die Vorpreßkörper lassen sich ohne weiteres manipulieren, wie es für die weitere Bearbeitung erforderlich isu Obwohl Gießereiformsand-Binder auf Kunstharzbasis durch die abgußbedingte Erwärmung ihre Bindefähigkeit verlieren und folglich so hergestellte Formkerne zerfallen, können die erfindungsgemäß hergestellten Vorpreßkörper ohne Schwierigkeiten und ohne störende Maßveränderungen formfrei vorgesintert und fertiggesintert werden.

Die Erfindung geht von der überraschenden Tatsache aus, daß bei Verwendung einer Formmaschine vom Typ einer Kernformmaschine einerseits, einer schüttfähigen Mischung aus dem metallischen Pulver und dem Kunstharzbinder andererseits im Rahmen der erfindungsgemäßen Maßnahmen Vorpreßkörper entstehen, die auch bei komplizierter Gestaltung und insbes. bei Aufbau aus mekr«s-en Querschnittssektionen überall gleiche Dichte — ohne Esunuschungserscheinup.gen — aufweisen. Daraus resultieren homogene physikalische Parameter im Vorpreßkörper und im gesinterten Werkstück. Überraschenderweise haben die Vorpreßkörper ausreichende Festigkeit, so daß sie, wie bereits erwähnt, manipuliert, formfrei gesintert und dabei auch reduziert entkohlt oder aufgekohlt werden können.

Eine anschließende Verdichtung kann auf verschiedene Weise durchgefühlt werden, und zwar sowohl als Warmverdichtung als auch als Kaltverdichtung, wie es an sich bekannt ist. Im Ergebnis können ohne Schwierigkeiten bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch solche Werkstücke hergestellt werden, die bisher als SinierJormteile gar nicht herstellbar waren und eine aufweno.gere Fertigung benötigen.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann grundsätzlich mit jedem zur Herstellung von gesinterten Werkstücken üblichen metallischen Pulver gearbeitet werden. Insbesondere können auch Pulvermischungen eingesetzt werden. Stets kann es sich sowohl um Reduktionspulver als auch um unreduziertes metallisches Pulver oder Pulvermischungen beider handeln. Für die Ausführungsform mit unreduziertem metallichem Pulver besteht im Rahmen der Erfindung ohne weiteres die Möglichkeit, den Vorpreßkörper in reduzierender Atmosphäre zu sintern und dabei auch ausreichend zu reduzieren. Eine ausreichende Reduzierung findet auch an den Kontaktstellen statt, wobei vermutlich das Bindemittel reduzierend mitwirkt. Wenn mit Reduktionspulver gearbeitet wird, so werden weder die Vorpreßkörper noch die daraus hergestellten Werkstücke durch den üblichen Restsauerstoffgehalt des Ausgangsmetallpulvers in bezug auf ihre physikalischen Eigenschaften beeinflußt Insbesondere stört dieser Restsauerstoffgehalt bei einer nachträglichen Verdichtung der Vorpreßkörper nicht. Wenn es sich darum handelt, aus einem Vorpreßkörper Werkstücke mit mehreren Querschnittssektionen herzustellen, so besteht die Möglichkeit, die Pulvermischung aus dem metallischen Pulver und dem Kunstharzbinder in eine Form einzubringen, die entsprechende Querschnittssektionen aufweist, um danach aus dem entsprechenden Vorspreßkörper das Werkstück ohne Stoffübertritt zwischen den Querschnittssektionen zu formen.

Die Maschinen, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden, sind Maschinen des Typs, der im Gießereiwesen als Kernformmaschine

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üblich ist Insbesondere kann als Kernformmaschine eine Kernblasmaschine angewendet werden. Bei einer Kernblasmaschine wird das Füllen einer sogenannten Kernbüchse und das Verdichten des mit dem Gießerei-Formsandbinder versetzten Kernsandes mit Hilfe eines Druckiuftsandgemisches erreicht Die Kernbüchse wird mit der Einblasöffnung nach oben durch eine auf einem Tisch angeordnete, mechanisch oder pneumatisch betätigte Einspannvorrichtung festgeklemmt Durcii ein Anheben des Arbeitstisches mit Hilfe eines im Maschinenständer eingebauten Hubzylinders wird die Kernbüchse gegen die den Sandbehälter nach unten abschließende Düsenplatte mit einer oder mehreren Blasöffnungen gepreßt Der Sandbehälter wird ständig dur^h seitliche Lufteintritte mit Druckluft von 5 bis 7 atü beaufschlagt Ein Rührwerk sorgt für die Ausbildung eines Druckluft-Sandgemisches, bei dem im Idealfall jedes einzelne Sandkorn mit Druckluft umgeben Lt Im Augenblick des AusHasens reißt die Druckluft den Sand durch die Blasöffnung in die Kernbüchse, wo er sich aufgrund seiner kinetischen Energie und unter dem Preßluftdruck verdichtet Da beim Blasvorgang die Druckluft aus der Kernbüchse entweichen muß, sind in ihr besondere Entlüftungsöffnungen und Entlüftungskanäle angebracht Arbeitet man mit einer Maschine dieses Typs im Rahmen der Erfindung, so ist anstelle der Kernbüchse die Form fur den Vorpreßkörper einzusetzen bzw. die Kernbüchse entsprechend auszubilden, und die Mischung aus Kemsand und Kunstharzbinder wird durch die Mischung aus metallischem Pulver und Kunstharzbinder ersetzt — Es kann aber als Kernformmaschine auch eine Kernschießmaschine angewendet werden. Eine Kernschießmaschine ähnelt in ihrem äußeren Aufbau der beschriebenen Kernblasmaschine mit Maschinenständer, durch Hubzylinder verstellbarem Maschinentisch, Düsenplatte und Sandvorratsbehälter. Das Füllen der Kernbüchse und das Verdichten des Kemsandes geschieht auf folgende Weise: Eine vorgegebene Preßluftmenge strömt πύ einem Nenndruck von 6 bis 8 bar in einen mit Sand gefüllten geschlitzten Zylinder, entspannt sich darin und wirkt schußartig auf die Sandsäule. Der Sand erhält dadurch eine hohe Geschwindigkeit die ausreicht ihn in eine unter dem Sandzylinder zwischen Maschinentisch und Düsenplatte eingespannte Kernbüchse zu schießen. Der Kern erhält dadurch eine große Festigkeit ohne daß die Kernbüchse unter Preßluftdruck steht Nach dem Schießvorgang strömt die überschüssige Luft durch den geschlitzten Zylinder, lockert die darin verbliebene Sandsäule selbsttätig ohne Rührwerk auf und entweicht anschließend durch ein Überströmventil. Aus der KemHüchse muß die atmosphärische Luft beim Schießen abgeführt werden, so daß in den meisten Fällen auf besondere Entlüftungsöffnungen und Entlüftungskanäle verzichtet werden kann, zumal sich im Schießkopf Düsen befinden, die ein Abströmen der Luft nach oben ermöglichen. Das alles kann im Rahmen der Erfindung für die Herstellung des Vorpreßkörpers verwendet werden, wobei anstelle des Sandes das mit dem Kunstharzbinder vermischte metallische Pulver eingesetzt und die Kernbüchse zur Form für den Vorpreßkörper ausgebildet bzw. eingesetzt wird. — Es versteht sich von selbst, daß die Lehre der Erfindung auch mit Maschinen verwirklicht werden kann, die zwar funktionell nach dem Prinzip von Kernformmaschinen arbeiten, konstruktiv aber anders als oben beschrieben gestaltet sind. Im folgenden wird die Erfindung anhand von

Ausführurtgsbeispielen ausführlicher erläutert,
Ausführungsbeispiel 1

Eine Kolbenstoßstange für einen PK-W-Stoßdämpfer sollte als Sinterformteil hergestellt werden. Zur Herstellung des Vorpreßkörpers wurde Roheisen-Pulver mit 2% Cu-Pulver und 1 % Phenolharz gemischt Die Pulvermischung wurde auf einer Kernschießmaschine zum Vorpreßkörper verarbeitet, der entsprechend des Verhältnisses der Dichte des Vorpreßkörpers zur |₀ Dichte des Ventilteiles axial verzerrt war. Dieser Vorpreßkörper wurde anschließend bei 950⁰C, 1 h, NH₃ Spaltgas reduziert. Der so erhaltene weitgehend oxidfreie Vorpreßkörper wurde danach in einem Preßwerkzeug auf einer Dichte von 6,8 g/cm³ verpreßt. Dabei wurde zugleich eine Ringnut für die Aufnahme eines Dichtungsringes angepreßt und damit am Teil in Preßrichtung ein zusätzliches Profil angebracht Im Anschluß an das Pressen wurde das Teil bei 1120⁰C in einem Bandofen noch einmal gesintert Nachdem das so erhaltene Werkstück kalibriert worden war, konnten aiie geforderten Toleranzen mil Sicherheit eingehalten werden. Zur Festigkeitsprüfung des Wertstückes wurde eine Abdrückprobe ausgeführt Das Werkstück konnte überall die verlangten 250 kN aufnehmen.

Ausführungsbeispiel 2

Ein Stoßring für eine LKW-Hinterachse sollte als Sinterformteil hergestellt werden. Zur Herstellung des Vorpreßkörpers wurde Roheisenpulver ir.it 15% Graugußpulver, 2% Cu-Pulver und 1% Phenolharz gemischt und anschließend auf einer Kernblasmaschine zu einem Vorpreßkörper der Dichte 3,8 g/cm³ verarbeitet. Anschließend wurde der Vorpreßkörper bei 950⁰C, NHrSpaltgas, 1 h reduziert Der Kohlenstoffgehalt betrug nach der Reduktion noch 0,6%. Der reduzierte Vorpreßkörper wurde in einem Preßwerkzeug auf eine Dichte von 7,0 g/cm³ verdichtet Dabei ergab sich eine ausgezeichnete homogene Dichteverteilung. Der Preßkörper wurde konventionell bei 1120⁰C im Bandofen noch einmal gesintert und anschließend kalibriert Das fertige Werkstück besaß das geforderte perlitische Gefüge und wies eine Brinellhärte von HB 160 auf.

Ausführungsbeispiel 3

Eine Lagerbuchse mit Flansch sollte als Sinterformteil hergestellt werden. Zur Herstellung des Vorpreßkörpers wurde kohlenstoff-freies Eisenpulver mit 1% Phenolharz gemischt und anschließend auf einer Kernschießmaschine verarbeitet Der so erhaltene Vorpreßkörper wurde bei 950° C, NH3-Spaltgas, 1 h geglüht Anschließend wurde der Vorpreßkörper in einem entsprechend abgestimmten Werkzeug so verpreßt, daß die Dichte im Schaft 6,5 g/cm³, im Flansch aber 7,1 g/cm³ betrug. Der Preßkörper wurde anschließend konventionell bei 1280⁰C im Hubbalkenofen noch einmal gesintert. Die Brinellhärte in der Lagerbuchse lag bei H B 45. Im Flansch wurde eine Brinellhärte von HB 66 gemessen.

Ausführungsbeispiel 4

Es sollte ein Fadenführer für eine Spinnmaschine als Sinterformteil hergestellt werden. Ein solcher Fadenführer ist in erster Näherung ein kreiszylindrisches Bauteil mit mehr oder weniger wendeiförmigen Nuten. Es ist nach konventionellen Methoden der Pulvermetallurgie nicht herstellbar. Für seine Fertigung wurde wie folgt vorgegangen: Für die Innrrkontur wurde nach den konventionellen Methoden der G^:eßereiindusirie ein Sandkern hergestellt Dieser Sandkern wurde auf einer Kemschießmaschein mit einer Mischung aus Roheisenpulver mit Zusatz von 25% Graugußpulver und 1% Phsnolharz ummantelt Dabei entsprachen die Außenkonturen genau dem Fertigteil, während die Wandstärke entsprechend dem Füllfaktor dicker war. Dieser Vorpreßkörper wurde bei 950⁰C NH₃-Spaltgas 1 h reduziert, wobei gleichzeitig der Zusammenhalt der Sandkörner verloren ging, so daß anschließend allein der reduzierte Vorpreßkörper aus Eisenpulver erhalten wurde. Dieser Vorpreßkörper wurde an der Außenkontur mit einer entsprechend geteilten Stahlmatrize umschlossen und innen mit einem Silikonfilm überzogen. Der so eingeschlossene Vorpreßkörper wurde anschließend in einer isostatisch arbeitenden Presse verpreßt, wobei — entsprechend der Ummantelung mit Stahl außen und Silikon innen — der Preßdiuck nur an der Innenkontur wirksam wurde. Die Außenkontur des verpreßten Werkstückes entsprach daher genau den Anforderungen des Fertigteils. Die Dichte des Preßkörpers betrug bei einem Preßdruck von 6000 bar ca. 7,2 g/cm³. Der Preßkörper wurde anschießend in einem Tiegelofen bei 1200⁰C noch einmal gesintert Der Werkstoff wies das gewünschte lerritisch-perlitische Gefüge auf.

Claims

Patentansprüche;

1. Anwendung eines Verfahrens zur Herstellung von Gießkernen mit Kunstharzbinder in einer Kernformmaschine auf das Verdichten von Pulvern von Metallen und deren Legierungen einer Teilchengröße von weniger als 600 μΐη zu Vorpreßkörpern, die anschließend formfrei ggf. in reduzierender Atmosphäre, (vor-)gesintert, und ggf. fertiggepreßt und fertiggesintert, werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulver weniger als 10%, vorzugsweise etwa 1 %, Phenolharzbinder zugesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kernformmaschine eine Kernblasmaschine angewendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kernformmaschine eine Kernschii.' maschine angewendet wird