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Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf ein Verfahren zur
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Herstellung eines metallischen Sinterformteils aus einem reduzierten
Ausgangspulver, wobei das Ausgangspulver zu einem Grünformling verdichtet und der
Grünformling zu einem Vorformling gesintert wird, der als Sinterformteil einsetzbar
oder zu einem Sinterformteil durch Pressen und/oder Schmieden nachformbar und/oder
umformbar ist. Im Rahmen der Erfindung liegt es, nach den Umformen eine erneute
Sinterung durchzuführen. Reduziertes Ausgangspulver bezeichnet im Rahmen der Erfindung
alle in der Pulvermetallurgie üblichen reduzierten Metallpulver und alle üblichen
Metallpulvermischungen und auch Metallpulver oder Metallpulvermischungen, denen
mineralische Stoffe, oxidische oder karbidische Metallverbindungen beigegeben sind.
Es liegt ferner im Rahmen der Erfindung, daß das reduzierte Pulver im Anlieferungszustand
verwendet oder mit oder ohne Binder zu einer rieselfähigen stampf-oder knetbaren
Mischung aufbereitet wird.
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Im Rahmen der (aus der Praxis) bekannten gattungsgemäßen Maßnahmen
erfolgt die Herstellung des Grünformlings durch koaxiales Pressen oder andere Preßverfahren
(isostatisches Pressen, Hochenergie- oder Geschwindigkeitsumformen u. dgl.), jedenfalls
mit so hoher Preßkraft, daß sich ein Verdichtungsverhältnis von erheblich mehr als
30 % gegenüber der losen Schüttung ergibt und eine Bindung der einzelnen Metallpartikel
durch Verzahnung, Kaltverschweißung und Adhäsionskräfte erfolgt.
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Diese Arbeitsweise verlangt aufwendige und komplizierte Preßformen
und entsprechende Maschinen. Komplizierte Werkstücke mit unterschiedlichen Querschnittssektionen
und Kugeln, Hohlkegel oder Hohlkegelstümpfe lassen sich auf diese Weise gar nicht
herstellen. Im übrigen stört der Restsauerstoffgehalt des reduzierten Ausgangspulvers.
Je höher der Restsauerstoffgehalt, je niedriger dls Füllvolumen, je schwammartiger
die Pulverteilchen sind, desto höher sind die Preßkräfte, die benötigt werden, um
eine Dichte von beispielsweise 85 % der theoretischen Dichte des Metalls zu erreichen.
Sie liegen selbst bei hochkompressiblen Pulvern bei 6000 kg/cm2 . Bei weniger gut
verdichtbaren Pulvern liegen sie sogar so hoch, daß eine so weitgehende Verdichtung
mit wirtschaftlich vertretbarem Werkzeugverschleiß nicht mehr möglich ist.
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Im Rahmen von gattungsfremden Maßnahmen (DE-AS 1-9 64 426) ist es
bekannt, aus einem metallischen Ausgangspulver und einem hohen Anteil an Gießharz
auf Epoxidharzbasis eine fließfähige Mischung herzustellen, die in eine Gießform
eingegossen wird.
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Der Gießharzanteil beträgt 1o Gew.-% und reicht bis zu 30 Gew.-% und
mehr. In der Gießharzform wird diese fließfähige Mischung zunächst zur Aushärtung
gebracht, der ausgehärtete Grünformling wird entformt und einer mehrstufigen Wärmebehandlung
oder Glühbehandlung unterworfen; und zwar zunächst zum Zwecke der Zersetzung des
Kunstharzes, danach zur Sinterung. Das alles ist für viele Verwendungszwecke nachteilig,
weil der hohe Gehalt an Gießharz eine störende Aufkohlung bewirkt, wenn mit reduziertem
Ausgangspulver gearbeitet wird. Die bekannten Maßnahmen
sind daher
nur von praktischer Bedeutung, wo mit unreduziertem Pulver gearbeitet wird und über
den Kohlenstoff auch eine Reduktion durchgeführt wird.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße
Verfahren so zu führen, daß unter Verzicht auf ein aufwendiges Vorpreßwerkzeug,
eine Presse hoher Druckleistung und hohe Preßkräfte selbst aus schwer verpreßbaren
Pulvern ein Sinterformteil oder ein Vorformling gebildet werden können. Dem Erfinder
liegt weiter die Aufgabe zugrunde, Sinterformteile mit geometrischen Formen herzustellen,
die mit HilEe der bekannten Verfahren nicht erzeugt werden können. -Hierzu gehören
topfartige Gebilde mit einer Höhe, die größer ist als das Sechsfache der Wanddicke,
offene oder mit einem Boden versehene Körper von der Form eines hohlen Kegelstumpfes.
Körper mit Innen- oder Außengewinden zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung,
daß das oder die Ausgangspulver entweder im Lieferzustand verwendet oder mit oder
ohne Zusatz eines Binders zu einer riesel-oder knetbaren Masse verarbeitet werden
und in dieser Form mit einem Verdichtungsverhältnis von weniger als 30 % gegenüber
der losen Schüttung in eine Grünlingsform durch Schütten, Vibrieren, Klopfen, Stopfen
oder Stampfen eingebracht in derselben einer verfestigenden Wärmebehandlung unterzogen
werden.
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Es versteht sich von selbst, daß im Rahmen der Erfindung eine möglichst
innige und homogene Mischung aus dem Ausgangspulver und den Kunstharzbinder hergestellt
wird und daß diese homogene Mischung auch möglichst gleichmäßig und mit überall
gleicher Dichte in die Grünlingsform eingebracht wird. Die Verdichtung
der
Mischung aus den Ausgangspulver und dem Binder in der Grünformlingsform kann beispielsweise
durch bloßes Schütteln, durch Vibrieren oder auch durch andere einfache Verdichtungsmaßnahmen
erfolgen, da erfindungsgemäß mit den angegebenen geringen Verdichtungsverhältnis
gearbeitet wird. Die Verdichtung dient nicht mehr dazu, die Körper des Ausgangspulvers
im Wege des Preßschweißens, der plastischen Verformung oder der adhäsiven Bindung
zu einem transportfühigen Körper zu binden. Sie dient nur noch dazu, die Grünformlingsform
mit überall möglichst gleicher Dichte zu ftillen.
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Im Rahmen der Erfindung kommt man überraschenderweise zu einem Vorformling,
dessen Festigkeit für viele Zwecke ausreicht, um den Vorformling unmittelbar als
Sinterformteil einzusetzen.
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Der Vorformling kann aber auch ohne weiteres durch Pressen oder Schmieden
nach- und/oder umgeformt werden. Zwar sind hierzu die üblichen Preßkräfte oder Schmiedekräfte
aufzubringen, es kann jedoch dabei mit wesentlich einfacheren Formen und im allgemeinen
auch mit geringeren Preßkräften gearbeitet werden, als es im Rahmen der bekannten
Maßnahmen zur Verdichtung des Grünformlings erforderlich ist. Der Restoxidgehalt
des Ausgangspulvers stört im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht und beeinflußt
insbesondere nicht die Umformkräfte, die zum Pressen oder Schmieden des Vorformlings
zum fertigen Sinterformteil aufgewandt werden müssen. Bei leicht reduzierbaren Metallen
wird er sogar wallrend der Glühbehandlung durch die reduzierende Wirkung des Schutzgases,
in dem die Glühung ausgeführt wird, noch herabgesetzt. Insbesondere besteht die
Möglichkeit, mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens Sinterformteile herzustellen,
die
unterschiedliche und sogar in starkem Maße unterschiedliche Querschnittssektionen
aufweisen. Dazu lehrt die Erfindung, daß die Mischung in einer Grünformlingsform
verdichtet wird, die den Querschnittssektionen des Sinterformteils entsprechende
Sektionen aufweist und daß der Vorformling ohne Materialübertritt zum Sinterformteil
gepreßt oder geschmiedet wird. Wie bereits erwähnt, kann sich an die Umformung eine
erneute Sinterung anschließen.
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Da das Pulver oder die Pulvermischung in einer Form der Wärmebehandlung
unterzogen wird, unterliegt letztere einer erheblichen thermischen Belastung und
demgemäß einem deutlichen Verschleiß.
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Der Verschleiß kann gemindert werden, wenn die Temperatur der Wärmebehandlung
niedrig gehalten wird. Hierzu liefert die Erfindung verschiedene Lehren, von denen
einzeln oder in Kombination miteinander Gebrauch gemacht werden kann. So hat es
sich z. B.
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bei der Herstellung von Sinterformkörpern aus Sintereisenwerkstoffen
verschiedenster Zusammensetzung als vorteilhaft erwiesen, von phosphorlegierten
Eisenpulvern mit o,1 bis 1,2 % P auszugehen, wie sie heute handelsüblich angeboten
werden.
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Phosphor schnürt das t-Gebiet im System Eisen-Phosphor ab und bildet
zudem im Bereich von o,15 bis o,6 P ein Zweiphasengebiet mit wesentlichen d,-Anteil.
Da die Sinterung im ob-Gebiet drei Zehnerpotenzen schneller verläut als im 2'-Gebiet,
kann die Temperatur, bei der die Wärmebehandlung erfolgt, erheblich abgesenkt werden.
Die gleiche Maßnahme läßt sich auch durch Zumischen von rotem Phosphor, Eisenphosphor,
Kupferphosphor und ähnlichen intermetallischen Verbindungen zwischen Phosphor
und
Metallen erreichen.
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Auch Pulver aus Eisenlegierungen, in denen die t-Phase abgeschnürt
ist, erlauben eine Herabsetzung der Temperatur der Wärmebehandlung. Solche Systeme
sind z. B. die Systeme Eisen-Vanadin, Eisen-Niob und Eisen-Chrom, Eisen-Silizium,
Eisen-Zinn.
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Die Anwendung des Systems Eisen-Zinn bietet bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren besondere Vorteile. Es kann dem Eisenpulver Zinn in Gehalten bis zu vier
Prozent zugemischt werden. Zinn schmilzt bei 232 OC und bildet zunächst eine flüssige
Phase, die mit den Eisenpulver unter Bildung einer festen Eisenzinnlegierung reagiert.
Dadurch entstehen feste Sinterbrücken, die einen hinreichend stabilen Vorformling
entstehen lassen. Zu der Verwendung von Zinn als Binder kann also die Wärmebehandlung
des Pulvers in der Sinterform schon bei Temperaturen dicht oberhalb des Zinnschmelzpunktes
vorgenommen werden. Sie verläuft daher besonders energiesparend und formschonend.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Tatsache, daß Eisen-Zinn-Sinterlegierungen sich
durch eine erhöhte Festigkeit auszeichnen.
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Ein ähnliches, wenn auch nicht ganz so günstiges Verhalten zeigt Zink,
das bei 5300 schmilzt und dann vom Eisen unter Mischkristallbildung aufgenommen
wird. Die Temperatur der Wärmebehandlung der Sinterform liegt hier dicht über dem
Schmelzpunkt des Zinks.
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Ebenso vorteilhaft ist die Verwendung von Mischungen aus Kupfer und
Zinn und Kupfer-Zink als Binder oder die hoch-zinn- bzw.
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zinkhaltigen Legierungen des Kupfers, die handelsüblich als Pulver
zu erhalten sind.
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Zinn-Zink-, Kupfer-Zinn- und Kupfer-Zink-Legierungen können nicht
nur zur Herstellung von Sinterkörpern aus Sintereisen-Werkstoffen, sondern auch
zur Herstellung von Sinterkörpern aus Sinterbronze und Sintermessing nach dem Verfahren
der Erfindung benutzt werden. Im einzelnen bestehen im Rahmen der Erfindung mehrere
Möglichkeiten der weiteren Ausbildung und Gestaltung.
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So wird nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung mit einem Gießereiformsand-Binder
auf Kunstharzbasis gearbeitet.
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Besonders bewährt hat sich eine Verfahrensweise, bei der das Ausgangspulver
mit einem Phenolharz gemischt wird, und zwar in einer Menge von unter 10 Gew.-%,
vorzugsweise von etwa 1 Gew.-%.
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Der Formling kann bei dieser Vorgehensweise schon bei einer Temperatur
aus der Sinterform entnommen werden, bei der er durch den Gießereisandbinder zu
einer so stabilen Form gebunden ist, daß er frei weitergesintert werden kann.
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Alle angegebenen Binder können einzeln oder in Kombination miteinander
verwendet werden.
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Anwendungsbeispiel Nr. 1 Herstellung einer Kettenrolle Eine Mischung
aus handelsüblichem wasserverdüstem Eisenpulver mit einer Schüttdichte von 2,8 g/cm3
wird mit 2 % Kupferpulver und 2 % Zinnpulver gemischt. Die Mischung wird in einem
Schüttwerkzeug
gemäß Bild 1 durch Vibrieren auf eine Dichte von
3,4 g/cm3 verdichtet und in der Form bei 850° 20 Min. gesintert.-Nach der Abkühlung
wird der Formling, der bei der Sinterung auf 3 eine Dichte von 4,3 g/cm verdichtet
wurde, aus der Form ent-2 nommen, und in einem Preßwerkzeug mit 6 t/cm nachgepreßt.
Er 3 erreicht dabei eine Dichte von 7,2 g/cm3. Nach der Sinterung bei 1280° während
30 Min. besitzt-er eine radiale Bruchfestigkeit 2 von 600 N/mm . Nach Karbonitrierung
hat das Bauteil eine Härte von HVo 17 600 und kann direkt eingebaut werden. Das
Fertigteil zeigt Bild 2.
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Anwendungsbeispiel 2 Herstellung eines Spulenträgers (gem. Bild 3)
Eine handelsübliche Pulvermischung mit o,45 % P und einer Schüttdichte von 2,8 g/cm3
wird in eine Schüttform eingerüttelt, so 3 daß eine Klopfdichte von 3,2 g/cm erreicht
wird. Die Form mit den Pulver wird bei 780° C 60 Min. unter einer Stickstoff-Wasserstoff-Mischung
gesintert. Der Vorformling schwindet dabei auf 3 eine Dichte von 4,6 g/cm . Er wird
aus der Form entnommen und in einem Preßwerkzeug mit 6 t/cm2 nachverdichtet. Seine
Dichte erreicht dabei 7,o g/cm2. Das Werkstück wird anschließend bei 650 OC 10 Min.
weichgeglüht und im gleichen Werkzeug bei 6 t/cm3 erneut nachgepreßt. Seine Dichte
steigt dabei auf 3 7,45 g/cm3 an. Bei der anschließenden Hochsinterung bei 1280
OC schwindet das Werkstück auf eine Dichte von 7,6 g/cm3 und hat jetzt eine magnetische
Induktion von 1,5 T und eine Koerzitivkraft von zu 120 A/m (Bild 3).
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Anwendungsbeispiel 3 Herstellung eines Schalthebels für eine Ventilsteuerung
In Bild 4 ist ein Schalthebel für eine Ventilsteuerung gezeigt.
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Zu seiner Herstellung wird eine Mischung aus handelsüblichem wasserverdüsten
Eisenpulver mit 1 % einer Mangan-Chrom-Molybdän-Legierung mit dem Gehalt von 30
% Mn, 30 90 Cr, 30 % Mo und o,6 % Graphit in einer Schüttform bei 850 OC 60 Min.
gesintert. Das Sinterteil hat nach der Entformung eine Dichte von 4,3 g/cm3.
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Es wird auf 11200 erwärmt und in einem auf 2500 erwärmten Preß-3 werkzeug
auf eine Dichte von 7,75 g/cm3 nachgepreßt. Nach dem Abschrecken von Austenitisierungstemperatur
und Abschrecken in Wasser hat es eine Härte von 59 Rc.
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Anwendungsbeispiel 4 Herstellung einer Abdeckhaube für ein Ventil
in einer pneumatischen Steuerung Für die Abdeckung eines Ventils in einer pneumatischen
Steuerung wird eine Abdeckhaube gemäß Bild 5 benötigt. Zu ihrer Herstellung wird
ein Bronzepulver mit der Zusammensetzung von 9o % Cu und 1o Sn mit 2 % gemischt
und die Mischung in einer Schüttform bei 800 OC 60 Min. gesintert. Nach dem Sintern
besitzt der Vorform-3 ling eine Dichte von 4,1 g/cm . Er wird in einem Nachpreßwerkzeug
3 auf eine Dichte von 7,o g/cm3 nachverdichtet, danach zur völligen Porenfüllung
mit Kunstharz gefüllt. Danach wird das Gewinde im Boden eingeschnitten und das Bauteil
ist verwendungsfähig.
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Anwendungsbeispiel 5 Herstellung eines konischen Magnettopfes aus
Sintereisen Zur Herstellung eines konischen Magnettopfes wird eine Schüttform gem.
Bild 6, wie in Beispiel 2 beschrieben, mit einem handelsüblichen wasserverdüsten
Eisenpulver mit o,45 % P gefüllt und mit einem Deckel versehen, der durch sein Eigengewicht
bei der Sinterung in die Form eindringen und eine zusätzliche Verdichtung bei der
Sinterung bewirken kann. Die Sinterung wird bei 920° ausgeführt. Nach dem Entformen
besitzt der Vorformling 3 eine Dichte von 5,8 g/cm3. Er wird aus einem Kern gemäß
Bild 7 gesteckt, mit einer Schrumpffolie dicht umschlossen und in eine isostatische
Presse mit einem Druck von 6000 bar nachgepreßt.
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3 Seine Dichte beträgt jetzt 7,5 g/cm3. Nach dem Sintern er-3 reicht
er eine Dichte von 7,65 g/cm3 . Seine magnetische Induktion liegt bei 1,5 T und
seine Koerzitivkraft bei 120 A/m.
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Anwendungsbeispiel 6 Herstellung einer Nockenscheibe für eine Büromaschine
Zur Herstellung des in Bild 8 gezeigten Bauteils wird eine Mischung aus 96 % Eisenpulver,
2 % Kupferpulver mit 2 % fülligem Kunststoffvorpolymerisat zu einer Masse angeteigt.
Die Masse wird in eine Form eingestampft und bei 200 OC angehärtet. Danach wird
der entstandene Vorformling entnommen und bei 1150 OC ge-3 sintert. Er besitzt eine
Dichte von 4,5 g/cm . Der Vorformling 3 wird in einem Preßwerkzeug auf eine Dichte
von 7,o g/cm gepreßt und ist nach der Karbonitrierung direkt verwendbar.
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Anwendungsbeispiel 7 Herstellung einer Schaltraste für ein Automobilgetriebe
Zur Herstellung des in Bild 9 gezeigten Bauteils wird eine Schüttform mit einer
Mischung aus 94 t handelsüblichem Eisenpulver, 2 % Kupferpulver und 2 % Nickelpulver
und 2 % Ferrophosphor durch Einvibrieren gefüllt. Die Form wird bei 8500 60 Min.
unter Wasserstoff-Stickstoffgemisch geglüht. Nach dem Abkühlen wird der Vorformling
aus der Form entnommen und in einem 3 Preßwerkzeug auf eine Dichte von 6,1 g/cm3
nachverdichtet. Der Preßling wird bei 650 0C 1o Min. geglüht und danach im Preßwerkzeug
auf eine Dichte von 7,4 g/cm3 nachverdichtet. Den Abschluß des Herstellganges bilden
eine Sinterung bei 1280 OC während 60 Min. Der Werkstoff weist dann eine Zugfestigkeit
von 620 N/cm2 und eine Bruchdehnung von 8 % auf.
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Anwendungsbeispiel 8 Herstellung eines Zahnrades mit Schaft Eine Mischung
aus 94 % handelsüblichem Eisenpulver mit 4,5 % des natürlichen Minerals Chalkopyrit
und 1,5 % eines Kunststoffvorpolymerisats wird in einer Stampfform.gemäß Abb. 10
auf 3.
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eine Dichte von 4,2 g/cm eingestampft. Die Pulvermasse wird in der
Form bei 180° ausgehärtet. Der Formling wird aus dem Werkzeug entnommen, bei 1280
OC gesintert und dann in einem Werkzeug so nachgepreßt, daß die verzahnte Scheibe
eine Dichte von 6,& g/cm3 und der Schaft eine Dichte von 6,4 g/cm3 erhält.
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Das Bauteil wird nach dem Pressen bei 850 OC karbonitriert und weist
dann bei einer Einsatztiefe von o,5 mm eine Härte von r 600 HV auf.