DE3642839A1

DE3642839A1 - Verfahren zur herstellung eines randschichtgehaerteten werkstuecks aus sintermetall

Info

Publication number: DE3642839A1
Application number: DE19863642839
Authority: DE
Inventors: Johann Volkmuth; Otmar Winkler
Original assignee: SKF GmbH
Current assignee: SKF GmbH
Priority date: 1986-12-16
Filing date: 1986-12-16
Publication date: 1988-06-30

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines randschichtgehärteten Werkstücks aus Sintermetall gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei einem bekannten Verfahren der angegebenen Art wird ein Alkalisilikat als Imprägniermittel verwendet (DE-PS 30 35 772). Dieses Alkalisilikat muß jedoch vor der Wärmebehandlung des Werkstücks zum Teil wieder ausgespült werden, so daß das bekannte Verfahren recht umständlich und teuer ist. Hinzu kommt, daß ein das Werkstück umgebendes Einsatzmittel vorgesehen werden muß, welches nur sehr langsam in die Randschichten des Werkstückes eindringt. Die Wärmebehandlungszeit des bekannten Verfahrens zum Erzielen ausreichender Härtetiefen ist deshalb verhältnismäßig lang.

Der in Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines randschichtgehärteten Werkstücks aus Sintermetall der angegebenen Art zu schaffen, welches trotz ausreichend großer Härtetiefen mit einer relativ kurzen Wärmebehandlungszeit auskommt und deshalb wirtschaftlich angewendet werden kann. Mit dem Verfahren sollen besonders hohe Härtewerte in der Randschicht des Werkstücks erzielbar sein. Schließlich soll das Verfahren auch in Fällen anwendbar sein, wo die Randschicht nur eines Teils der Oberfläche des Werkstücks zu härten ist.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 1 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Vorteil erzielt, daß der Kunststoff beim Tränken der Oberfläche bzw. des Oberflächenabschnitts des Werkstückes bis zu einer bestimmten, vorgegebenen Tiefe in die Randschicht des Werkstückes eindringt. Diese Eindringtiefe kann durch Einhalten verschiedener Verfahrensparameter gesteuert werden: z. B. über die Porosität des fertig gesinterten Werkstücks, über die Imprägniertemperatur des Werkstücks und/oder des Kunststoffs beim Tränken des Werkstücks und über die Benetzungsdauer und den Benetzungsdruck beim Tränken des Werkstücks.

Beim Cracken des Kunststoffes entstehen als Zerfallsprodukte Härteelemente, die an Ort und Stelle in der Randschicht diffundieren und diese somit für die anschließende Härtung vorbereiten.

Auf diese Weise wid eine relativ kurze Wärmebehandlungszeit benötigt, weil die Härteelemente beim Erwärmen des Werkstücks auf Rektionstemperatur in der mit Kunststoff getränkten Randschicht entstehen und dort mit dem Sintermetall sofort reagieren. Durch Einhalten einer bestimmten Reaktionstemperatur kann die chemische Beschaffenheit der Zerfallsprodukte des Kunststoffs, also auch die Gattung des bzw. der Härteelemente, des Kunststoffs eingestellt werden. Die betreffende Randschicht wird beim Härten mit einer gleichmäßig hohen Härte und einer entsprechend hohen Verschleißfestigkeit ausgebildet.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Maßnahmen nach Anspruch 2 und 3 bewirken, daß der Kunststoff nach dem Tränken der Randschicht des Werkstücks in den Poren der Randschicht fest haften bleibt.

Mit der Maßnahme nach Anspruch 4 wird erreicht, daß die Randschicht des Werkstückes aus Sinterstahl bzw. Sintereisen durch den beim Cracken des Polyacrylharzes entstehenden Kohlenstoffe aufgekohlt wird.

Die Maßnahme nach Anspruch 5 verhindert, daß beim Härten sich die Randschicht des Werkstücks in einer unerwünschten Weise chemisch verändert (Randentkohlung, Randoxydation). Dabei weist die zusätzliche Maßnahme nach Anspruch 6 auf ein geeignetes Medium hin, das mit dem Sintermetall nicht chemisch reagiert und somit das Werkstück von außen schützt.

In Anspruch 7 ist eine andere Maßnahme angegeben, die auf eine kombinierte Randschichthärtung abzielt. Bei Anwendung dieser Maßnahme wirken nämlich die Härteelemente des Kunststoffs mit denen des Einsatzmittels gemeinsam, so daß bestimmte Härtegrade und/oder Verschleißfestigkeiten und/oder Selbstschmiereigenschaften der Randschicht des Werkstücks erzielt werden.

Mit der zusätzlichen Maßnahme nach Anspruch 8 wird eine besonders konzentrierte und schnelle Härtung in der Nähe der Oberfläche des Werkstückes erzielt.

Anspruch 9 und 10 weisen auf weitere vorteilhafte Maßnahmen zum Durchführen des erfindungsemäßen Verfahrens hin.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Härteverlauf in der getränkten und in der nichtgetränkten Randschicht eines in einem NH₃-haltigen Gas auf Reaktionstemperatur erwärmten und in Öl abgeschreckten Werkstücks aus Sintereisen,

Fig. 2 den Härteverlauf in der getränkten und in der nichtgetränkten Randschicht eines in Luft auf Reaktionstemperatur erwärmten und in Öl abgeschreckten Werkstücks aus Sintereisen und

Fig. 3 den Härteverlauf in der getränkten und in der nicht getränkten Randschicht eines in einem Salzbad auf Reaktionstemperatur erwärmten und in Wasser abge schreckten Werkstücks aus Sintereisen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Werkstück, welches aus einem härtbaren Sintermetall, z. B. Sintereisen oder Sinterstahl, besteht, zunächst fertig gesintert. Nach dem Fertigsintern besitzt das Werkstück eine bestimmte Porosität und hat im wesentlichen bereits seine endgültigen Abmessungen.

Danach wird die Randschicht mindestens eines Teils der Oberfläche des Werkstücks mit einem flüssigen Kunststoff als Imprägniermittel, z. B. in einem Imprägnierbad, getränkt, so daß der Kunststoff in die Poren der Randschicht des Werkstücks eindringt.

Dieser Kunststoff hat eine unter der Umwandlungstemperatur des Sintermetalls liegende Cracktemperatur, bei der sich dieser zersetzt und zerfällt. Dabei entsteht als Zersetzungsprodukt mindestens ein Härteelement, welches die anschließende Härtung der betreffenden Randschicht des Werkstücks ermöglicht.

Das Tränken der Randschicht des Werkstücks erfolgt übrigens bei einer unter der Cracktemperatur des Kunststoffs liegenden Imprägniertemperatur des Werkstücks und des Kunststoffs. Je nach der Vorbehandlung (Vakuumbehandlung) des Werkstücks, der Viskosität des Kunststoffs und der Größe der Haltezeit beim Tränken dringt der flüssige Kunststoff mehr oder weniger in die Poren der Randschicht des Werkstückes ein.

Anschließend kann, falls es sich um einen nicht-vernetzten, aushärtbaren Kunststoff handelt, dieser Kunststoff ausgehärtet werden. Zu diesem Zweck wird der Kunststoff nach dem Tränken auf eine unter seiner Cracktemperatur liegende Aushärtungstemperatur gebracht und bei dieser Temperatur genügend lange gehalten. Diese Aushärtung erfolgt am besten durch Eintauchen des Werkstücks in ein Wasserbad. Das Wasserbad kann gleichzeitig der Reinigung des Werkstücks dienen.

Nun wird das Werkstück auf Reaktionstemperatur erwärmt, welche mindestens so groß wie die Cracktemperatur des Kunststoffes ist, jedoch nicht über der Umwandlungstemperatur des Sintermetalls liegt.

Das Werkstück wird bei dieser Reaktionstemperatur so lange gehalten, bis eine genügende Menge von dem bzw. den Härteelement(en) des Kunststoffs entstanden und in das Sintermetall der Randschicht des Werkstücks diffundiert ist.

Schließlich wird das Werkstück abgeschreckt und in der Randschicht, in die das bzw. die Härteelement(e) des Kunststoffs diffundiert ist (sind), gehärtet.

Bei der Randschichthärtung ändern sich die Abmessungen des Werkstücks nicht oder höchstens in einem geringfügigen Maße.

Während der Erwärmung des Werkstücks auf Reaktionstemperatur und dem anschließenden Halten auf Reaktionstemperatur kann das Werkstück von einem mit dem Sintermetall nicht chemisch reagierenden Medium, z. B. Argon, umgeben sein.

Im anderen Fall kann das Werkstück aber auch in einem an sich bekannten Einsatzmittel auf Reaktionstemperatur erwärmt und bei dieser Temperatur gehalten werden. Dieses Einsatzmittel liefert dann mindestens ein Härteelement, z. B. Kohlenstoff und/oder Stickstoff, welches über die Oberfläche in das Sintermetall diffundiert. Dieses bzw. diese Härteelement(e) des Einsatzmittels beeinflussen die äußeren Bereiche der Randschicht und wirken zusätzlich zu dem bzw. den Härteelementen des Kunststoffs. Die Härteelemente des Einsatzmittels können dabei von derselben oder von einer unterschiedlichen Gattung wie die des Kunststoffs sein.

Das Einsatzmittel kann herkömmlicherweise fest, gasförmig oder flüssig sein. So kann z. B. das Werkstück in einem an sich bekannten Salzbad als Einsatzmittel carbonitriert bzw. nitrocarburiert werden.

Damit der Kunststoff beim Tränken des Werkstücks in die Randschicht eindringen kann, muß der Kunststoff bei Imprägniertemperatur relativ dünnflüssig sein. Auch darf die Porosität des Werkstückes nicht zu klein sein. Im allgemeinen können Werkstücke mit einer Porosität von 5 bis 30 Volumen-Prozent genügend schnell getränkt werden, wobei der Kunststoff mit einer ausreichend großen Tiefe in die Randschicht des Werkstückes eindringt.

Das Werkstück kann auch mit einem bereits vernetzten Kunststoff getränkt werden. In diesem Fall kann es zweckmäßig sein, den Kunststoff der Randschicht unmittelbar nach dem Tränken des Werkstücks von seinen flüssigen Aggregatzustand in seinen festen Aggregatzustand zu überführen. Dies erfolgt durch Abkühlen des Werkstückes auf eine entsprechende, unter seiner Imprägniertemperatur liegenden Temperatur.

In Fig. 1 sind die Härtewerte eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren randschichtgehärteten Werkstücks in Abhängigkeit von der Tiefe der Randschicht dargestellt. Das fertiggesinterte Werkstück aus Sintereisen (DIN V 30 910) hatte eine Porosität von etwa 20 Volumen-Prozent. Das Tränken des Werkstücks erfolgte lediglich auf einem Teil seiner Oberfläche mit einem aushärtbaren styrolfreien Polyacrylharz bei 60°C Imprägniertemperatur. Die Aushärtung des Kunststoffes erfolgte bei 90°C mit einer Haltezeit von 10 Minuten in Wasser. Die Cracktemperatur dieses Harzes lag bei etwa 300°C, bei der Kohlenstoff als Härteelement freigesetzt wurde. Die Reaktionstemperatur betrug 570°C mit einer Haltezeit von 20 Minuten NH₃-haltigem Gas als Einsatzmittel. Die Abschreckung des Werkstücks erfolgte in Öl mit einer Temperatur von 60°C.

Die Kurve 1 in Fig. 1 präsentiert den Verlauf der gemessenen Härte in der mit Polyacrylharz getränkten Randschicht und die Kurve 2 den Verlauf der Härte in der nicht-getränkten Randschicht desselben Werkstücks. Der Vergleich der beiden Kurven zeigt, daß die mit Polyacrylharz getränkte Randschicht bis zu eine Tiefe von etwa 4 mm gehärtet ist und außerdem eine wesentlich größere Härte als die nicht-getränkte Randschicht aufweist. Beide Kurven 1, 2 geben Härtewerte an, welche in der Nähe der Oberfläche schnell größer werden. Dabei ist die nicht-getränkte Randschicht allerdings nur bis zu einer Tiefe von ungefähr 0,5 mm gehärtet.

Fig. 2 zeigt die entsprechenden Härtewerte für dasselbe Werkstück aus Sintereisen, bei dem jedoch die Erwärmung sowie das Halten des Werkstücks für eine Zeit von 30 Minuten auf Reaktionstemperatur in Luft erfolgte. Die Kurve 1A in Fig. 2 liefert wiederum den Härteverlauf für die mit Polyacrylharz getränkte Randschicht und die Kurve 2A den Härteverlauf für die nicht-getränkte Randschicht. Hier besitzt die nicht-getränkte Randschicht überhaupt keine Härtesteigerung. Die getränkte Randschicht weist ausgehend von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von etwa 3 mm eine konstante, hohe Härte auf.

Fig. 3 zeigt zwei entsprechende Kurven für ein Werkstück aus demselben Sintereisen mit derselben Porosität wie in Fig. 1 und 2. Das fertig gesinterte Werkstück wurde in diesem Fall an einem Oberflächenabschnitt mit dem aushärtbaren Polyacrylharz getränkt, in einem Salzbad bei einer Reaktionstemperatur von 580°C mit einer Haltezeit von 20 min nitrocarburiert und schließlich in Wasser von 20°C abgeschreckt.

In Fig. 3 stellt die Kurve 1B den Härteverlauf in der mit Polyacrylharz behandelten Randchicht und die Kurve 2B den Härteverlauf in der nicht-behandelten Randschicht des Werkstücks dar. Die erfindungsgemäß behandelte Randschicht weist eine mehr als doppelt so große Nitrierhärtetiefe X (nach DIN 50 190, Teil 3) auf als die nicht-behandelte Randschicht.

Das Tränken des fertig gesinterten Werkstücks aus Sintereisen oder Sinterstahl kann auch mit einem sogenannten "Melaminharz" erfolgen, welches bei seiner Cracktemperatur von etwa 300°C nicht nur Kohlenstoff sondern auch Stickstoff als Härteelement freisetzt. In diesem Fall wird die betreffende Randschicht des Werkstücks durch den Kunststoff carbonitriert bzw. nitrocarburiert.

Anstelle von Argon als nicht-thermochemisch reagierendes Medium kann ein endo- und/oder exothermes Schutzgas verwendet werden, welches das Werkstück bei seinem Erwärmen und Halten auf Reaktionstemperatur umgibt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines randschichtgehärteten Werkstücks aus Sintermetall, bei dem das Werkstück mit einer Porosität fertig gesintert und die Randschicht mindestens eines Teils seiner Oberfläche mit einem flüssigen Imprägniermittel getränkt und anschließend wärmebehandelt wird, gekennzeichnet durch

- Tränken der Randschicht des Werkstücks mit einem Kunststoff als Imprägniermittel, der bei seiner unter der Umwandlungstemperatur des Sintermetalls liegenden Cracktemperatur in mit dem Sintermetall chemisch reagierende, die Härtung des Sintermetalls ermöglichende Härteelemente zerfällt, bei einer unter der Cracktemperatur liegenden Imprägniertemperatur des Werkstücks und des Kunststoffs,
- Erwärmen des Werkstücks auf eine Reaktionstemperatur, welche mindestens so groß wie die Cracktemperatur des Kunststoffs ist, jedoch nicht über der Umwandlungstemperatur des Sintermetalls liegt,
- Halten des Werkstücks bei dieser Reaktionstemperatur bis das bzw. die Härteelemente (e) des Kunststoffs entstanden und in das Sintermetall der Randschicht des Werkstücks diffundiert ist (sind) und
- Abschrecken des Werkstücks zum Härten des Werkstücks zumindest in seiner mit dem bzw. den Härteelement(en) des Kunststoffs behandelten Randschicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Tränken der Randschicht des Werkstücks ein nicht vernetzter, aushärtbarer Kunststoff verwendet wird, welcher nach dem Tränken der Randschicht zu seinem Aus härten auf eine unter seiner Cracktemperatur liegende Aushärtungstemperatur gebracht und bei dieser Temperatur genügend lange gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Tränken der Ranschicht des Werkstücks der Kunststoff dieser Randschicht zum Überführen in seinen festen Aggregatzustand auf eine entsprechende, unterhalb seiner Imprägniertemperatur liegende Temperatur abgekühlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sintermetall ein Sintereisen oder Sinterstahl und als Kunststoff ein styrolfreies Polyacrylharz verwendet werden, so daß beim Abschrecken eine Härtung des Sintereisens bzw. Sinterstahls in der mit Polyacrylharz behandelten Randschicht erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück in einem mit dem Sintermetall nicht thermochemisch reagierenden Medium auf Reaktionstemperatur erwärmt und bei dieser Temperatur gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als nicht thermochemisch reagierendes Medium ein endo- und/ oder exothermes Schutzgas verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück in einem Einsatzmittel, welches bei Reaktionstemperatur mindestens ein zusätzliches Härteelement derselben oder einer unterschiedlichen Gattung wie das bzw. die Härteelement(e) des Kunststoffes abgibt, auf Reaktionstemperatur erwärmt und bei dieser Temperatur gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück in einem Salzbad als Einsatzmittel auf Reaktionstemperatur erwärmt und bei dieser gehalten wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück mit einer Porosität von 5 bis 30 Volumenprozent fertig gesintert wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück in Öl von 50 bis 110°C abgeschreckt wird.