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Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf ein Verfahren zur
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pulvermetallurgischen Herstellung eines Verbundformteils, bei dem
ein eine Funktionsfläche aufweisender Formteilbereich aus einem anderen Legierungspulver
hergestellt wird als der aus einem Grundwerkstoffpulver aufgebaute Grundkörper des
Verbundformteils, wobei das Legierungspulver sowie das Grundwerkstoffpulver gemeinsam
und gleichzeitig mit Hilfe eines mehrteiligen Preßwerkzeuges mit Preßform und Preßstempel
durch Anwendung eines vorgegebenen Verbundpreßdruckes zu einem Verbundrohling verdichtet
sowie der so hergestellte Verbundrohling zum Verbundformteil gesintert wird. - Funktionsfläche
meint eine Oberfläche besonderer Funktion (z. B. und insbes. eine Lagerfläche oder
eine abrasiv beanspruchte Fläche), die regelmäßig den Einsatz einer besonderen Legierung
verlangt, während der Grundkörper lediglich eine Hilfsfunktion, z. B. die eines
Trägers, erfüllt. Es versteht sich, daß das Verbundformteil auf diese Weise aus
den verschiedensten, in der Pulvermetallurgie üblichen Pulvern und Legierungen sowohl
in bezug auf den eine Funktionsfläche aufweisenden Formteilbereich als auch in bezug
auf den Grundkörper aufgebaut sein kann. Die pulvermetallurgische Herstellung von
solchen Verbundformteilen steht vor dem folgenden Hintergrund: Durch pulvermetallurgische
Verfahren können Werkstoffe und Werkstücke bekanntlich in vielen Fällen ihrem jeweiligen
Einsatz in optimaler Weise angepaßt werden. In der Praxis erweisen sich diese optimal
ausgewählten Werkstoffe bei teuren Basismaterialien oder Legierungselementen als
zu teuer. Das gilt vor allem dann, wenn die entsprechende Werkstoffqualität nur
an einer Funktionsfläche erforderlich ist,
ein Einsatz des Werkstoffes
im ganzen Bauteil in werkstoffmäßiger Hinsicht also als Verschwendung angesehen
werden muß. Seit langem besteht die Forderung, Bauteile herzustellen, bei denen
nur die Funktionsflächen aus dem aufwendigen Werkstoff bestehen, während für den
Grundkörper ein billiger Grundwerkstoff Verwendung findet.
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Handelt es sich dabei um pulvermetallurgisch hergestellte Bauteile,
so ist es erforderlich, die beiden Pulver für die Funktionsfläche und für den Grundkörper
gleichzeitig und gemeinsam in einem mehrteiligen Preßwerkzeug zu verdichten.
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Im Rahmen der (aus der Praxis) bekannten gattungsgemäßen Maßnahmen
werden sowohl das Legierungspulver als auch das Grundwerkstoffpulver lose in das
Preßwerkzeug eingefüllt. Das ist nachteilig. Bei Verwendung zweier loser Pulver
ist es erforderlich, den Preßstempel des Preßwerkzeuges im Bereich der Grenze der
beiden Pulver zu unterteilen. Die Fülleinrichtungen für die Pulver müssen doppelt
vorhanden sein. Die Füllung des Werkzeuges erfordert komplizierte Maschinenbewegungen.
Insbes. wenn der Formteilbereich, der aus dem Legierungspulver herzustellen ist,
dünn ist, kommt es trotz aufwendiger werkzeugtechnischer Maßnahmen und Einfüllmaßnahmen
zu störenden Durchmischungen beider Pulver. Darüber hinaus ist der Verbund des eine
Funktionsfläche aufweisenden Formteilbereiches und des Grundkörpers häufig nicht
befriedigend, was auf unterschiedliches Verdichtungsverhalten bei der Verdichtung
der lose eingefüllten Pulver zum Verbundrohling zurückgeführt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren
so zu führen, daß unter Verzicht auf aufwendige werkzeugtechnische Maßnahmen und
Einfüllmaßnahmen Verbundrohlinge
hergestellt werden können, die
sich durch einwandfreien Verbund und definierte Legierungszusammensetzung auszeichnen,
die auch in dünnen Formteilbereichen besonderer Funktion durch Pulververmischung
nicht beeinträchtigt ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß aus einem der Pulver
(d. h. dem Legierungspulver und/oder dem Grundwerkstoffpulver) mit Hilfe eines Kunstharzbinders
und mechanischerVerdichtung auf weniger als 30 % gegenüber dem Ausgangspulver ein
Vorformling hergestellt wird, der dem die Funktionsfläche aufweisenden Formteilbereich
oder dem Grundkörper entspricht, daß der Vorformling in die Preßform eingelegt,
der verbleibende Preßformbereich mit dem anderen Pulver ausgefüllt sowie danach
durch Anwendung des Verbundpreßdruckes auf beide Bereiche die Gesamtheit zum Verbundrohling
verdichtet wird. Der Kunstharzbinder ist vorzugsweise ein Phenolharzbinder. Die
Menge des Kunstharzbinders kann 1 bis 20 Gew.% ausmachen. - Die Erfindung geht von
der Erkenntnis aus, daß bei der pulvermetallurgischen Herstellung eines Verbundformteils
ein einwandfreier Verbund auch und gerade dann erreichbar ist, wenn aus einem der
Pulver zunächst ein Vorformling hergestellt wird. Voraussetzung ist, daß dieser
Vorformling sich unter der Einwirkung des Verbundpreßdruckes, wenn auch mit unterschiedlichem
Verdichtungsgrad, annähernd so verdichten läßt, wie das Pulver in dem angrenzenden
Bereich. Das ist sichergestellt, wenn bei der Herstellung des Vorformlings mit Hilfe
eines Kunstharzbinders die mechanische Verdichtung auf unter 30 % gegenüber der
Dichte des Ausgangspulvers beschränkt wird. Von Fall zu Fall läßt sich die erforderliche
Abstimmung des Verdichtungsverhaltens unter Verbundpreßdruck durch Versuche
leicht
ermitteln. Das Pulver in dem anderen Bereich kann als Pulver lose eingeschüttet
oder ebenfalls als entsprechend aufgebauter Vorformling eingebracht werden. Jedenfalls
kann ein Preßwerkzeug ohne zusätzliche Stempelunterteilung eingesetzt werden. Zur
Fertigung solcher Bauteile können die vorhandenen Pressen und Fülleinrichtungen
Verwendung finden. Störende Durchmischung kann nicht mehr stattfinden.
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Im allgemeinen wird im Rahmen der Erfindung nach Einlegen des Vorformlings
in die Preßform der verbleibende Preßformbereich durch Einschütten eines losen Pulvers
ausgefüllt. Diese Verfahrensweise zeichnet sich durch besondere Einfachheit aus.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß aus
dem Grundwerkstoffpulver der Vorformling hergestellt und das Legierungspulver in
den verbleibenden Preßformbereich lose eingefüllt wird. Wenn es sich darum handelt
ein Verbundformteil herzustellen, welches im fertigen Zustand überall im wesentlichen
die gleiche Dichte aufweist, so lehrt die Erfindung, zunächst einen Vorformling
herzustellen, dessen Dichte des in den verbleibenden Preßformbereich einzufüllenden
Pulvers bis auf eine Abweichung von maximal plus/minus 20 % übereinstimmt.
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Im Rahmen der Erfindung kann der Vorformling, können die Vorformlinge
auf verschiedene Weise hergestellt werden. Insbes. besteht die Möglichkeit, durch
Variation des Anteils des Kunstharzbinders die Dichte des Vorformlings in bezug
auf den Pulveranteil einzustellen. Das kann soweit variierend geschehen, daß im
fertiggesinterten Verbundformteil ein aus dem Vorformling gebildeter Bereich noch
poröse Struktur aufweist, während der aus
losem Pulver geformte
praktisch porenfrei ist. Nichtsdestoweniger bereitet die Verpressung zum Verbundrohling
keinerlei Schwierigkeiten und entsteht ein einwandfreier Verbund. Das gilt auch
für die Umkehrung, bei der der aus dem Vorformling aufgebaute Bereich porenfrei
und der aus dem losen Pulver aufgebaute Bereich nur soweit verdichtet ist, daß er
gewollte Poren besitzt. Arbeitet man bei der Herstellung des Vorformlings mit einem
hohen Gehalt an Kunstharzbinder, so empfiehlt die Erfindung, daß der Verbundrohling
vor dem Sintern bei einer Temperatur von etwa 600 OC gebrannt und dadurch der Kunstharzbinder
aus dem Verbundrohling entfernt wird. Insbes. bei geringeren Gehalten an Kunststoffbinder
kann der Kunststoffbinder aber auch im Vorformling verbleiben, zur Steuerung des
Verdichtungsverhaltens herangezogen und erst beim Sintern des Verbundrohlings herausgebrannt
werden.
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Handelt es sich im Rahmen der Erfindung um die Herstellung von Verbundformteilen,
z. B. Massenartikeln, die mit engen Toleranzen in bezug auf die physikalischen Eigenschaften
des eine Funktionsfläche aufweisenden Formteilbereichs sowie des Grundkörpers bei
definiertem Verbund mit vorgegebener Übergangszone gefertigt werden müssen, so lehrt
die Erfindung, nach einem besonderen Verfahren hergestellte Vorformlinge zu verwenden,
nämlich Vorformlinge einzusetzen, die mit Hilfe einer Vorforinmaschine vom Typ der
in der Gießereitechnik üblichen Kernschießmaschinen hergestellt worden sind. Eine
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in diesem Zusammenhang dadurch gekennzeichnet,
daß der Vorformling aus dem Grundwerkstoffpulver mit Hilfe der Vorformmaschine vom
Typ der Kernschießmaschinen hergestellt worden
ist. Die vorgenannten
Vorformmaschinen werden im folgenden kurz als Kernschießmaschinen bezeichnet. Mit
Hilfe einer Kernschießmaschine zu sinternde Formlinge herzustellen, ist an sich
in der Pulvermetallurgie bekannt (DE-PS 30 o4 209). Nicht erkannt wurde jedoch in
der Vergangenheit, daß überraschenderweise mit Hilfe einer solchen Kernschießmaschine
hergestellte Vorformlinge reproduzierbar zu dem angestrebten definierten Verbund
und reproduzierbar zu genau definierten physikalischen Eigenschaften des eine Funktionsfläche
aufweisenden Bereiches und des Grundkörpers führen. Überraschend ist fernerhin,
daß gerade die so hergestellten Vorformlinge durch Variation des Kunstharzbinderanteils
eine genaue Einstellung des gewünschten Verdichtungsverhaltens bei der Verdichtung
zum Verbundrohling zulassen. Aus den vorgenannten Gründen kommt der beanspruchten
Verwendung von mit Hilfe einer Kernschießmaschine hergestellten Vorformlingen besondere,
selbständige Bedeutung zu. Die Vorformmaschinen, die im Rahmen des erfindungsgemäßen
Verfahrens eingesetzt werden, sind, wie bereits erwähnt, Maschinen des Typs, der
im Gießereiwesen als Kernschießmaschine üblich ist. Bei einer Kernschießmaschine
werden das Füllen einer sogenannten Kernbüchse und das Verdichten des mit dem Gießereiformsandbinder
versetzten Kernsandes mit Hilfe eines Druckluftsandgemisches erreicht. Die Kernbüchse
wird mit der Einblasöffnung nach oben durch eine auf einem Tisch angeordnete, mechanisch
oder pneumatisch betätigte Einspannvorrichtung festgeklemmt. Durch ein Anheben des
Arbeitstisches mit Hilfe eines im Maschinenständer eingebauten Hubzylinders wird
die Kernbüchse gegen die den Sandbehälter nach unten anschließende Düsenplatte mit
einer oder mehreren Blasöffnungen gepreßt. Der Sandbehälter wird ständig durch seitliche
Lufteintritte mit Druckluft von z. B. 5 bis 7 bar beaufschlagt. Ein
Rührwerk
sorgt für die Ausbildung eines Druckluft Sand-Gemisches, bei dem im Idealfall jedes
einzelne Sandkorn von Druckluft umgeben ist. Im Augenblick des Ausblasens reißt
die Druckluft den Sand durch die Blasöffnung in die Kernbüchse, wo er sich aufgrund
seiner kinetischen Energie und unter dem Preßdruck 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 als Vorformmaschine, so ist anstelle der Kernbüchse eine Form
für den Vorformling einzusetzen bzw. die Kernbüchse entsprechend auszubilden - und
die Mischung aus Kernsand und Kunstharzbinder wird durch die Mischung aus Ausgangsmetallpulver
und Kunstharzbinder ersetzt. Maschinen, die wie vorstehend beschrieben arbeiten,
werden auch als Kernblasmaschinen bezeichnet. Das Füllen der Vorformlingsform und
das Verdichten des Pulvers zum Vorformling können auch auf andere Weise geschehen:
Eine vorgegebene Preßluftmenge strömt mit einem Nenndruck von z. B. 6 bis 8 bar
in einen mit dem Pul-;ver gefüllten geschlitzten Zylinder, entspannt sich darin
und wirkt schußartig auf die Pulversäule. Das Pulver erhält dadurch eine hohe Geschwindigkeit,
die ausreicht, es in die unter dem Pulver zylinder zwischen Maschinentisch und Düsenplatte
eingespannte Vorformlingsform zu schießen. Der Vorformling erhält dadurch seine
Festigkeit, ohne daß die Kernbüchse unter Preßluftdruck steht. Nach dem Schießvorgang
strömt die überschüssige Luft durch den geschlitzten Zylinder, lockert die darin
verbliebene Pulversäule selbständig ohne Rührwerk auf und entweicht anschließend
durch ein Überströmventil. Aus der Vorformlingsform muß in diesem Fall die atmosphärische
Luft beim Schießen abgeführt werden. So arbeiten Kernschießmaschinen im engeren
Sinne.
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Wie bereits erwähnt liegt es im Rahmen der Erfindung nach Einsetzen
des Vorformlings in die Pulverform nicht loses Pulver
einzufüllen,
sondern vielmehr das Pulver in Form eines weiteren Vorformlings einzubringen. Dazu
lehrt die Erfindung konkret, daß der verbleibende Preßformbereich mit einem weiteren,
mit Hilfe eines Kunstharzbinders und mechanischer Verdichtung hergestellten Vorformling
ausgefüllt wird. Eine bevorzugte Ausführungsform ist auch hier dadurch gekennzeichnet,
daß Vorformlinge! verwendet werden, die mit Hilfe einer Vorformmaschine vom Typ
der in der Gießereitechnik üblichen Kernschießmaschinen hergestellt worden sind.
Im übrigen gilt auch bei dieser Verfahrensweise, was vorstehend in bezug auf den
Kunstharzbinderanteil für ! die Einstellung der physikalischen Eigenschaften und
das Verdichtungsverhalten bei der Verdichtung zum Verbundrohling gesagt worden ist.
Es versteht sich, daß in Fortführung der Lehre der Erfindung auch mit mehr als zwei
Vorformlingen gearbeitet werden kann, wenn das Verbundformteil aus mehr als zwei
Werkstoffen auft gebaut sein soll. Gegenstand der Erfindung sind auch die nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbundformteile.
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Wie bereits erwähnt, kann im Rahmen der Erfindung mit jedem in der
Pulvermetallurgie üblichen Pulver gearbeitet werden. Zu besonders vorteilhaften
Ergebnissen kommt man dadurch, daß als Pulver für den Vorformling unreduziertes
Eisenpulver verwendet wird und der genannte Vorformling bei Temperaturen über 800
0C reduziert wird.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung
Fig. 1 einen Vorformling, wie er für das erfindungsgemäße Verfahren benötigt wird,
im Vertikalschnitt, Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch ein mehrteiliges Preßwerkzeug
mit eingesetztem Vorformling und eingefülltem Pulver und
Fig. 3
einen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Verbundrohling und
Fig. 4 den vergrößerten Ausschnitt A aus dem Gegenstand nach Fig. 3.
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Aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 1 bis 3 entnimmt man
zunächst, daß es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um die Herstellung eines
Verbundformteils handelt, bei dem ein eine Funktionsfläche 1 aufweisender Formteilbereich
2 aus einem anderen Legierungspulver hergestellt worden ist als der aus dem ' Grundwerkstoffpulver
aufgebaute Grundkörper 3 des Verbundformteils. Das Legierungspulver sowie das Grundwerkstoffpulver
werden gemeinsam und gleichzeitig mit Hilfe eines mehrteiligen Preßwerkzeuges mit
Preßform F und Preßstempel S durch Anwendung eines vorgegebenen Verbundpreßdruckes
zu dem Verbundrohling 2, 3 verdichtet, der in Fig. 3 dargestellt wurde. In Fig.
4 erkennt man, daß ein einwandfreier Verbund erzielt wurde. Der so hergestellte
Verbundrohling 2, 3 wird, wie zeichnerisch nicht dargestellt wurde, zum Verbundformteil
gesintert.
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Im Ausführungsbeispiel wurde zunächst aus dem Grundwerkstoffpulver
mit Hilfe eines Kunstharzbinders und mechanische Verdichtung auf weniger als 30
% gegenüber dem Ausgangspulver der Vorformling 4 hergestellt, der in Fig. 1 erkennbar
ist. Er entspricht dem Grundkörper 3 des Verbundrohlings 2, 3. Der Vorformling 4
wurde in die Preßform F eingelegt. Der verbleibende Preßformbereich wurde mit dem
Legierungspulver 5 ausgefüllt. Das ist die Situation, die in Fig. 2 dargestellt
wurde. Im Anschluß daran erfolgt ine Verdichtung der Gesamtheit durch Anwendung
des Verbundpreßdruckes
bis zu dem Verbundrohling 2, 3, der, aus
der Preßform F ausgestoßen, in der Fig. 3 dargestellt wurde. Es wurde so gearbeitet,
daß der Vorformling 4 eine Dichte aufweist, dessen Dichte mit der Dichte des in
den verbleibenden Preßformbereich eingefüllten Pulvers 5 ohne wesentliche Abweichung
übereinstimmte. Folglich entstand auch ein Verbundrohling 2, 3 überall praktisch
gleicher Dichte bei gutem Verbund und definierter Trennung der Werkstoffe in der
Verbundzone.
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Ausführungsbeispiel: Fig. 3 zeigt das Beispiel eines hochbelasteten
Sintergleitlagers, das als Verbundteil aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen ausgeführt
wurde. Für die Lauffläche wurde als spezieller Lagerwerkstoff eine Mischung aus
Eisenpulver mit 40 Gew.% einer verschleißfesten Kobaltlegierung gewählt, während
für den Grundkörper reines Eisen ausreichte.
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Für den Grundkörper wurde ein Vorformling hergestellt, wofür ein Gemisch
aus 98,5 % Eisenpulver und 1,5 % Phenolharz auf einer Kernschießmaschine verarbeitet
wurde. Der Vorformling war so beschaffen, daß sein Innendurchmesser 1,6 mm größer
war als der Innendurchmesser des fertigen Lagers. Der so erhaltene Vorformling wurde
in ein konventionelles Pulverpreßwerkzeug eingelegt und der verbleibende Ringspalt
zwischen dem Preßdorn und dem~ Vorformling wurde anschließend mit einer Mischung
aus 60 Gew.% Eisenpulver und 40 Gew.% Kobaltlegierung gefüllt. Die beiden Pulver
wurden anschließend gemeinsam verdichtet und als Verbundpreßling aus dem Werkzeug
entnommen.
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Der Preßling wurde anschließend bei 1200 OC in reduzierender Atmosphäre
zum Verbundlager gesintert, wobei gleichzeitig das im Verbundpreßling noch enthaltene
Phenolharz ausgebrannt wurde.