DE3117282A1

DE3117282A1 - Verfahren zur herstellung von pulvermetallgegenstaenden und die erhaltenen gegenstaende

Info

Publication number: DE3117282A1
Application number: DE19813117282
Authority: DE
Inventors: Roy Stinton London Ontario Goodwin; Edmund John St. Thomas Ontario Martin
Original assignee: Gould Inc 60008 Rolling Meadows Ill; Gould Inc
Current assignee: Clevite Industries Inc
Priority date: 1980-05-07
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1982-01-14
Also published as: BR8102797A; GB2075554A; AU6968081A; IT1170945B; ES8302114A1; CA1190065A; ES501916A0; JPS572803A; IT8148394A0

Description

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Albert-Rosshaupter-Strasse 65 · D 8000 München 70 Telefon (069) 7605520 -Telex 05-212284 patsd_Te|ogramme Kernpatent München

GOULD INC., 30. April 1981

10 Gould Center, GD-4 7

Rolling Meadows, Illinois 60008,
U. S. A.

Verfahren zur Herstellung von Pulvermetallgegenständen und die

erhaltenen Gegenstände

Beschreibung:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum gegenseitigen Verbinden von zwei oder mehr Pulvermetallteilen bzw. Pulvermetallstrukturen. Ferner betrifft die Erfindung die nach dem Verfahren hergestellten Pulvermetallgegenstände.

Bekanntlich wird die Pulvermetallurgie häufig zur Herstellung kompliziert geformter Gegenstände angewandt. Die Vorteile der Pulvermetallurgie gegenüber anderen Verfahren zur Herstellung ähnlicher Gegenstände sind bekannt. Bei der Pulvermetallurgie

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ist es jedoch häufig schwierig, dauerhaft zwei oder mehr Pulvermetallteile oder Pulvermetallgegenstände miteinander zu verbinden.

Bislang sind zum Verbinden von gesinterten Pulvermetallgegenständen solche Verfahren angewandt worden, wie etwa Löten, die Tränkung mit geschmolzenem Metall, und die einfache mechanische Verbindung über eine festsitzende Anlage der beiden Teile. Alle diese Verfahren sind mit wechselndem Erfolg angewandt worden.

An den Lötverfahren ist unerwünscht, daß eine mehrfache Wärmebehandlung erforderlich ist, sowie teuere Lötmaterialien benötigt werden.

Auch die Tränkung mit geschmolzenem Metall ist mit einer Reihe von Schwierigkeiten verbunden. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, daß die erhaltene Bindung häufig unzureichend ist und dieses Verfahren auf das Verbinden solcher Formen beschränkt ist, welche eine wenig komplizierte Gestalt aufweisen. Darüberhinaus ist dieses Verfahren insgesamt einschließlich der verwendeten Materialien relativ teuer und, was vielleicht der wichtigste Nachteil ist, bei diesem Verfahren läßt sich die Größe des Fertigproduktes schwierig kontrollieren.

Das Verfahren der "festsitzenden gegenseitigen Anlage" zum gegenseitigen Verbinden von Pulvermetallgegenstanden ist mit beschränktem Erfolg angewandt worden. Vor allem ist gegen dieses Verfahren einzuwenden, daß mechanische Verbindungen nur begrenzt

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zuverlässig sind, insbesondere können sich solche Verbindungen lösen, wenn die verbundenen Teile Schwingungen und vibrationen ausgesetzt sind; weiterhin ist dieses Verfahren nur für relativ einfach gestaltete Teile anwendbar.

Davon ausgehend besteht die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zum gegenseitigen Verbinden von zwei oder mehr Pulvermetallteilen oder Pulvermetallgegenständen verfügbar zu machen, das unabhängig von der Kompliziertheit der Gestalt dieser Teile bzw. Gegenstände ein metallurgisch sicher und dauerhaft verbündendes Endprodukt ergibt.

Nach einem weiteren Ziel dieser Erfindung soll ein Verfahren zum gegenseitigen Verbinden von zwei oder mehr Pulvermetallteilen bzw. Pulvermetallgegenständen angegeben werden, das unter wirtschaftlichen und effizienten, für die Massenfertigung geeigneten Bedingungen eine integrale Bindung zwischen den betrachteten Teilen bzw. Gegenständen ergibt.

Weitere Ziele, Aufgaben und Besonderheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe und Ziele ist ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen sowie ein Sinterprodukt, das nach diesem Verfahren erhalten worden ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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Nach einem Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum gegenseitigen Verbinden von zwei oder mehr Pulvermetallteilen, welches Verfahren die nachstehenden Verfahrensschritte vorsieht. Es wird ein erstes im wesentlichen aus Eisenpulver bestehendes Pulverjnetallteil hergestellt, das die gewünschte Gestalt aufweist, wobei das zur Herstellung benutzte Metallpulver eine ausreichende Menge Kupfer enthält, damit sich das erste Pulvermetallteil bei der Sinterung ausdehnt. Es wird ein zweites im wesentlichen aus Eisenpulver bestehendes Pulvermetallteil hergestellt, das eine solche Gestalt aufweist, welche die festsitzende Anlage an zumindest einem Abschnitt des ersten Pulvermetallteiles ermöglicht, wobei das zur Herstellung benutzte Metallpulver eine ausreichende Menge Nickel enthält, damit dieses zweite Pulvermetallteil bei der Sinterung schrumpft. Das erste Pulvermetallteil wird in solchen Beührungskontakt mit dem zweiten Pulvermetallteil gebracht, daß bei einer Sinterungsbehandlung der beiden Teile sich das erste Pulvermetallteil gegenüber dem zweiten Pulvermetallteil ausdehnt, während das letztere gegenüber dem ersten Pulvermetallteil schrumpft. Die beiden Teile werden auf eine ausreichend hohe Sinterungstemperatur erhitzt, damit eine metallurgische Verbindung zwischen den beiden Pulvermetallteilen entsteht.

Ein anderer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft einen gesinterten Pulvermetallgegenstand, welcher entsprechend dem nachstehenden Verfahren erzeugt worden ist. Es wird ein im

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wesentlichen aus Eisenpulver bestehender Pulvermetallgegenstand erzeugt, welcher die gewünschte Gestalt aufweist, wobei das zur Herstellung benutzte Eisenpulver eine ausreichende Menge Kupfer enthält, damit dieser erste Pulvermetallgegenstand bei der Sinterung sich ausdehnt. Es wird ein zweiter, im wesentlichen aus Eisenpulver bestehender Pulvermetallgegenstand erzeugt, welcher eine solche Gestalt aufweist, die eine festsitzende Anlage an zumindest einem Abschnitt des ersten Pulvermetallgegenstandes zuläßt, wobei das zur Herstellung benutzte Metallpulver eine ausreichende Menge Nickel enthält, damit dieser zweite Pulvermetallgegenstand bei der Sinterung schrumpft. Der erste Pulvermetallgegenstand wird in solchen Berührungskontakt mit dem zweiten Pulvermetallgegenstand gebracht, daß eine Sinterbehandlung der beiden Gegenstände eine Ausdehnung bzw. Expansion des ersten Pulvermetallgegenstandes gegenüber dem zweiten Pulvermetallgegenstand bewirkt, sowie eine Schrumpfung des zweiten Pulvermetallgegenstandes gegenüber dem ersten Pulvermetallgegenstand. Schließlich werden die beiden Gegenstände auf eine ausreichend hohe Sinterungstemperatur erhitzt, damit eine metallurgische Bindung zwischen den beiden Gegenständen erzeugt wird.

Ersichtlich bestehen für die Realisierung der Erfindung verschiedene Möglichkeiten. Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert? es zeigt:

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Fig. 1 in einer Draufsicht eine erfindungsgemäße Lageranordnung;

Fig. 2 eine Darstellung des Schnittes längs der Linie 2-2 durch die Lageranordnung nach Fig. 1; und

Fig. 3 anhand einer Mikrophotographie den Verbindungsbereich zwischen dem ersten Pulvermetallteil und dem zweiten Pulvermetallteil.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert. Hierbei dienen die Zeichnungen lediglich zur Erläuterung, ohne die Erfindung einzuschränken. Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Lageranordnung A, die aus einem inneren oder ersten Pulvermetallteil 10 und einem äußeren oder zweiten Pulvermetallteil 12 besteht.

Das innere Pulvermetallteil 10 weist im wesentlichen ovale Gestalt auf mit einer Oberseite 14 und einer Unterseite 16. Innerhalb des Pulvermetallteiles 10 ist eine öffnung 18 ausgespart, welche zur Aufnahme oder Abstützung eines (nicht dargestellten) drehbaren Bauteiles bestimmt ist.

Im Schnitt betrachtet weist das äußere Pulvermetallteil 12 im wesentlichen rechteckige Gestalt auf mit den gegenüberliegenden Seiten 20, 22, 24 und 26; forner sind ein erster nach außen abstehender Flansch 28 und ein zweiter nach außen abstehon-

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der Flansch 30 vorhanden. Innerhalb des äußeren Pulvermetallteiles 12 ist eine Öffnung 32 solcher Gestalt ausgespart, welche die Aufnahme des inneren Pulvermetallteiles 10 bei fest-sitzender Anlage zuläßt.

Bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung wird das erste, im wesentlichen aus Eisenpulver bestehende Pulvermetallteil bzw. die Pulvermetallstruktur mittels üblicher pulvermetallurgischer Maßnahmen in die gewünschte Gestalt gebracht, wobei von einem Gemisch aus hauptsächlich aus Eisen bestehendem Pulver, Kupferpulver und pulverförmigem Kohlenstoff ausgegangen wird, wobei der Kupferanteil ausreichend hoch ist, damit ein Pulvermetallteil erhalten wird, das sich bei der Sinterung ausdehnt. In dieder Hinsicht werden ausgezeichnete Ergebnisse mit einer Pulverzusammensetzung für das erste Pulvermetallteil erhalten, welche ungefähr 93 bis ungefähr 96 Gew.-% Eisen, ungefähr 3,0 bis ungefähr 6,0 Gew.-% Kupfer und ungefähr 0,5 bis ungefähr 1,0 Gew.-% Kohlenstoff enthält. Die zur Herstellung eines solchen Gegenstandes zweckmäßigen Maßnahmen sind in der Fachwelt bekannt, stellen für sich betrachtet keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung dar und sollen hier nicht im einzelnen erörtert worden. Für die vorliegende Betrachtung ist lediglich bedeutsam, daß dieser im wesentlichen aus Eisen bestehende erste Pulvermetallgegenstand aus einer hauptsächlich aus Eisen bestehenden Pulverzusammensetzung erzeugt wird, welche eine ausreichende Menge Kupfer enthält, damit das Pulvermetallteil sich bei der Sinterung ausdehnt. 130062/0788

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Das zweite, hauptsächlich aus Eisen bestehende Pulvermetallteil bzw. die entsprechende Pulvermetallstruktur wird auf gleiche oder ähnliche Weise nach üblichen pulvermetallurgischen Maßnahmen erzeugt und in eine solche Gestalt gebracht, die eine festsitzende Anlage an zumindest einem Abschnitt des ersten Pulvermetallteiles zuläßt. Dieses zweite Pulvermetallteil wird aus einem Pulvergemisch aus hauptsächlich aus Eisen bestehendem Pulver, Nickelpulver und pulverförmigem Kohlenstoff hergestellt, wobei der Nickelanteil ausreichend hoch ist, damit das zweite Pulvermetallteil bei der Sinterung schrumpft. In dieser Hinsicht werden besonders gute Ergebnisse dann erhalten, wenn zur Herstellung des zweiten Pulvermetallteiles eine Pulverzusammensetzung verwendet wird, die ungefähr 95 bis ungefähr 97,5 Gew.-% Eisen, ungefähr 2,0 bis ungefähr 4,0 Gew.-% Nickel und ungefähr 0,5 bis ungefähr 1,0 Gew.-% Kohlenstoff enthält. Die im einzelnen zur Herstellung des zweiten Pulvermetallteiles benutzten Maßnahmen sind in der Fachwelt bekannt, stellen für sich betrachtet keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung dar und werden hier nicht im einzelnen erläutert.

Bei der praktischen Durchführung wird das erste, hauptsächlich aus Eisen bestehende Pulvermetallteil aus einer Zusammensetzung der oben angegebenen Art erzeugt mit einer typischen Gestalt, welche beispielsweise in den Zeichnungen dargelegt ist. Dieses Pulvermetallteil wird dann in Berührungskontakt mit dem zweiten,

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hauptsächlich aus Eisen bestehenden Pulvermetallteil gebracht, so daß eine festsitzende Anlage resultiert, welche bei der späteren Sinterung eine mechanisch feste und dauerhafte Verbindung zwischen den beiden Pulverteilen gewährleistet. Zur Herstellung des zweiten, hauptsächlich aus Eisen bestehenden Pulvermetallteiles wird eine Pulverzusammensetzung verwendet, wie sie oben angegeben ist.

Die resultierende Anordnung dieser beiden Pulvermetallteile wird daraufhin einer Sinterungsbehandlung unter einer Atmosphäre aus reduzierendem Gas bei einer Temperatur ausgesetzt, die vorzugsweise im Bereich von ungefähr 1090 bis 1180 ⁰C liegt. Darüberhinaus ist jedoch die exakte Sinterungstemperatur nicht von besonderer Bedeutung, solange gewährleistet ist, daß diese ausreichend hoch ist, damit das Kupfer in das zweite oder äußere Teil hineindiffundiert, damit das erste oder innere und das zweite oder äußere Teil miteinander metallurgisch verbunden werden, indem eine komplexe Eisen-Kupfer-Nickel-Kohlenstoff-Legierung an der Grenzfläche zwischen den beiden Teilen erzeugt wird. Es wird angenommen, daß diese besondere metallurgische Bindung durch die Diffusion des Kupfers in das äußere Teil hinein verursacht wird. Diese Diffusion wird durch die Anwesenheit von Kohlenstoff unterstützt, welcher vorzugsweise ursprünglich dem Gemisch der pulverförmigen Metalle in Form von Graphit zugesetzt wird. Im Verlauf der Sinterung geht der Graphit sowohl in dem inneten wie in dem äußeren Teil in Lösung. Das Kupfer diffundiert durch die Wand des

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äußeren Teiles bei einer Temperatur von ungefähr 1120⁰C und es werden mit dem vorhandenen Eisen und Nickel Legierungen gebildet, welche einen höheren Schmelzpunkt als 1120⁰C aufweisen. Solange eine Sinterungstemperatur benutzt wird, die tiefer als 1120⁰C liegt, erstarrt dieses Material, was zu einer metallurgisch diffundierten Verbindung führt, die sich als fester erwiesen hat, als die individuelle Festigkeit von entweder dem inneren Material oder dem äußeren Material. Nach der Sinterung kann der tatsächliche Verbindungsbereich nicht mit bloßem Augenschein wahrgenommen werden. Dieser Verbindungsbereich läßt sich jedoch zwischen den jeweiligen, erfindungsgemäß verbundenen Teilen bei geeigneter Vergrößerung eindeutig feststellen; in dieser Hinsicht zeigt Fig. 3 anhand einer Mikrophotographie diesen Verbindungsbereich bei 50-facher Vergrößerung. In dieser Mikrophotographie bezeichnet das Bezugszeichen D die Struktur des inneren Teiles, das Bezugszeichen E die Kupfer/Kohlenstoff-Diffusionszone des äußeren, mit F bezeichneten Teiles.

Die mit den Fig. 1 und 2 dargestellte Lageranordnung ist, wie nachstehend angegeben, hergestellt worden.

Das äußere Teil war in einer geeigneten Form aus einer Pulvermischung erzeugt worden, die ungefähr 97/5 Gew.-% Eisen, 2 Gew.-% Nickel und 0,5 Gew.-% Kohlenstoff enthielt. Die Teilchengröße der Eisenteilchen lag unter 0,175 mm (-80 mesh des U.S.Sieb-Standardes). Die Teilchengröße der Nickelteilchen

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lag im Bereich von 4 bis 7 um. Die Teilchengröße der Kohlenstoffteilchen betrug ungefähr 2 pm. Diese Materialien wurden miteinander vermischt und das erhaltene Pulvergemisch in eine geeignete Form gefüllt und dort unter einem Druck von ungefähr 463 N/mm² (30 T.S.I.) verdichtet.

Das innere Teil wurde aus einem Gemisch aus ungefähr 94,25 Gew.-% Eisen, 5,0 Gew.-% Kupfer und 0,75 Gew.-% Kohlenstoff erzeugt. Das Gemisch wurde in eine geeignete Form gefüllt

ο und dort unter einem Druck von ungefähr 463 N/mm (30 T.S.I.)

verdichtet.

Das innere Teil wurde an der Stelle der vorgesehenen festsitzenden Anlage in der Öffnung 32 des äußeren Teiles 12 angeordnet. Diese gemeinsame Anordnung wurde daraufhin in einen Ofen gebracht und unter einer endothermen Atmosphäre ungefähr 12 min lang auf eine Temperatur von etwa 1120⁰C erhitzt.

Das erhaltene Gebilde wurde daraufhin aus dem Sinterofen herausgenommen und es wurde festgestellt, daß das innere Teil metallurgisch an das äußere Teile gebunden war.

Wie dargelegt, erlaubt es die vorliegende Erfindung, kompliziert gestaltete Pulvermetallgegenstände aus einer Anzahl von Teilen in effizienter und wirtschaftlicher Weise herzustellen. Bei der Produktion, insbesondere der Serienherstellung, erlaubt

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die vorliegende Erfindung beträchtliche Einsparungen an Energie und Kosten.

Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert worden ist, sind für Fachleute verschiedene Änderungen und Modifizierungen möglich, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen, wie er mit den Patentansprüchen und deren Äquivalenten umrissen ist. Derartige Abänderungen und Modifizierungen sollen daher
ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen.

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Claims

TlSCHER -KERN & BREHM Alt)ert-Ro9Shai/pler-Strasse 65_D 8000 München 70_Telelon (089) 7ÖO')520 Telex 05-212284 patsd Tologrammo Kornn.ilonl Murichun GOULD INC., 30. April 1981 10 Gould Center, GD-4 7 Rolling Meadows, Illinois 60008, U. S. A. Verfahren zur Herstellung von Pulvermetallgegenständen und die erhaltenen Gegenstände Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehr Pulvermetallteilen,
gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

es wird ein erstes Pulvermetallteil erzeugt, das die gewünschte Gestalt aufweist und im wesentlichen aus Eisen besteht, jedoch eine ausreichende Menge Kupfer enthält, damit sich das Pulvermetallteil bei der Sinterung ausdehnt?

es wird ein zweites Pulvermetallteil erzeugt, das die gewünschte Gestalt aufweist, welche eine festsitzende Anlage an zumindest

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einem Abschnitt des ersten Pulvermetallteiles zuläßt, wobei das zur Herstellung benutzte Metallpulver im wesentlichen aus Eisen besteht und eine ausreichende Menge Nickel enthält, damit das Pulvermetallteil bei der Sinterung schrumpft; das erste Pulvermetallteil wird mit dem zweiten Pulvermetallteil in solchen Berührungskontakt gebracht, daß bei einer Sinterbehandlung der beiden Teile sich das erste Pulvermetallteil gegen das zweite Pulvermetallteil ausdehnt, welches seinerseits gegen das erste Pulvermetallteil schrumpft* und die beiden Pulvermetallteile werden auf eine ausreichend hohe Sinterungstemperatur erhitzt, um die beiden Teile metallurgisch miteinander zu verbinden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

das erste Pulvermetallteil aus einem Metallpulver erzeugt wird, das aus ungefähr 93 bis 96 Gew.-% Eisen, ungefähr 3,0 bis 6,0 Gew.-% Kupfer und ungefähr 0,5 bis 1 Gew.-% Kohlenstoff besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

das erste Pulvermetallteil aus einem Metallpulver erzeugt wird, das aus ungefähr 94,25 Gew.-% Eisen, ungefähr 5,0 Gew.-% Kupfer und ungefähr 0,75 Gew.-% Kohlenstoff besteht.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Pulvermetallteil aus einem Metallpulver erzeugt wird, das aus ungefähr 95 bis 97,5 Gew.-% Eisen, ungefähr 2 bis 4 Gew.-% Nickel und ungefähr 0,5 bis 1 Gew.-% Kohlenstoff besteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Pulvermetallteil aus einem Metallpulver erzeugt wird, das aus ungefähr 97,5 Gew.-% Eisen, ungefähr 2,0 Gew.-% Nickel und ungefähr 0,5 Gew.-% Kohlenstoff besteht.

6. Gesinterter Pulvermetallgegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Gegenstand entsprechend einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt worden ist.

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