DE3734002A1 - Verfahren zum herstellen eines bauteils aus sintereisen oder sinterstahl - Google Patents
Verfahren zum herstellen eines bauteils aus sintereisen oder sinterstahlInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
aus mehreren Teilen zusammengesetzten Bauteils aus Sintereisen
oder Sinterstahl.
Pulvermetallurgisch hergestellte Bauteile zeichnen sich
durch hohe Maßgenauigkeit aus und durch rationelle
Herstellung auch komplizierter Formen. Für Körper mit quer
zur Preßrichtung liegenden Hinterschneidungen gelten diese
Vorteile nur bedingt, da die Hinterschneidungen wegen der
Entformung der Preßlinge aus der Preßmatrize nicht angepreßt
werden können. In der Regel werden daher Hinterschneidungen,
vor allem bei rotationssymmetrischen Teilen,
spanabhebend eingebracht. Es ist auch bekannt, Hinterschneidungen
durch Zusammenfügen mehrerer gesinterter
Einzelteile darzustellen.
Das Verbinden der Teile durch Schweißen, vor allem durch
Widerstandsschweißen, hat den großen Nachteil, daß nur
Teile aus niedrig legierten, nahezu kohlenstofffreien
Stählen ohne Änderung ihrer Eigenschaften zusammengefügt
werden können. Auch bei sorgfältiger Einhaltung der Schweißbedingungen
sind zudem Maßänderungen kaum zu vermeiden,
so daß im allgemeinen eine Nachbearbeitung des gefügten
Bauteils nötig ist. Aufwendig ist auch das Zusammenlöten
mehrerer Teile, da wegen der Porosität gesinterter Formlinge
nur spezielle Lote brauchbar sind, die die äußere
Oberfläche benetzen, aber die Körper selbst nicht
infiltrieren. Diese Bedingungen erfüllende Lote sind
vergleichsweise teuer und bei ihrer Verwendung müssen
Ofentemperatur und -atmosphäre sehr genau eingehalten
werden.
Schließlich ist es auch üblich, mehrere Einzelteile zu
einem größeren Bauteil zusammenzusintern. Dabei geht man
von der Erkenntnis aus, daß die Maßänderungen beim
Sintern von Preßlingen durch Legieren der verwendeten
Metallpulver in weiten Bereichen steuerbar sind. Das
Verfahren wird so gehandhabt, daß Teile mit unterschiedlicher
Sinterschrumpfung ineinandergesteckt werden und
beim Sintern das äußere Teil auf das innere aufschrumpft.
Wegen der hohen Temperaturen werden dabei aber keine
Schrumpfspannungen übertragen, vielmehr versintern die
ineinandergefügten Teile an den Kontaktstellen. Die
einzelnen Teile bilden ein gemeinsames Bauteil, die Haftkräfte
zwischen den Teilen reichen jedoch nicht aus, um
größere Kräfte oder Momente zu übertragen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zu schaffen, das die geschilderten Nachteile nicht aufweist
und die Herstellung von aus mehreren Teilen
zusammengesetzten Bauteilen aus Sintereisen oder Sinterstahl
ermöglicht, die an den Fügestellen fester
aneinanderhaften als zusammengesinterte Bauteile und
sich mit einem kleineren Aufwand herstellen lassen als
geschweißte oder gelötete Bauteile.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man
- a) Bohrungen und Zapfen aufweisende Formlinge aus Eisen- oder Stahlpulver herstellt,
- b) die geformten Teile zu einem Bauteil zusammensteckt und
- c) die Teile durch Aufbringen einer Magnetitschicht auf ihren Oberflächen stoffschlüssig miteinander verbindet.
Zur pulvermetallurgischen Herstellung von Eisen- oder
Stahlteilen werden Eisen- und Stahlpulver in einer dem
jeweiligen Anwendungszweck angepaßten Körnung und Zusammensetzung,
im allgemeinen nach Zugabe einer kleineren Menge
Gleit- oder Preßhilfsmittel in einem Gesenk verdichtet und
gepreßt, das unter Berücksichtigung der Volumenänderungen
beim Sintern Form und Maß des Fertigkörpers hat. Zum
Sintern werden die Formlinge in einer im wesentlichen
reduzierenden oder neutralen Atmosphäre erhitzt. Die
gesinterten Teile werden gegebenenfalls kalibriert, d. h.
Maßabweichungen durch Stauchen ausgeglichen. Die Teile,
die erfindungsgemäß zu einem Bauteil zusammengesteckt
werden, sind komplementär ausgebildet. Konvexe Bereiche
eines Teils stoßen an konkave Bereiche des benachbarten
Teils. Eine zweckmäßige Ausbildungsform eines konvexen
Bereichs ist ein Zapfen, eines konkaven Bereichs eine
Bohrung. Zapfen und Bohrung sind bevorzugt konisch ausgebildet,
so daß der Materialfluß beim Verdichten des
Pulvers nicht behindert wird. Grundsätzlich brauchbar
sind auch andere komplementäre Formen, z. B. Nut und
Feder.
Auf die Oberfläche der das Bauteil bildenden Teile,
besonders auf die anstoßenden Flächen wird eine Magnetitschicht
aufgebracht, durch welche die einzelnen Teile
stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Die
Beschichtung von Körpern aus Sintereisen und Sinterstrahl
mit Eisenoxid, vornehmlich mit Fe₃O₄, ist Stand der
Technik. Zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und
Steigerung der Härte ist es bekannt, Sinterkörper einer
Atmosphäre aus überhitztem Wasserdampf auszusetzen. Unter
geeigneten Bedingungen bilden sich dabei Körper mit einer
geschlossenen, festhaftenden Schicht aus Fe₃O₄. Die
Schichten sind im allgemeinen 2 bis 6 µm dick, maximal
etwa 10 µm. Dickere Schichten neigen wegen der Volumenzunahme
bei der Schichtbildung zum Abplatzen.
Die Erfindung macht sich die überraschende Erkenntnis
zunutze, daß Teile aus Sintereisen oder Sinterstahl durch
Magnetitschichten zu einem größeren Bauteil verbunden
werden können, wenn der Abstand aufeinanderstoßender
Flächen die doppelte Dicke der auf der Sinterbasis
festhaftenden Magnetitschichten nicht übersteigt. Der
Abstand zwischen zwei aufeinanderstoßenden, komplementären
Flächen sollte daher höchstens 20 µm betragen. Da
die Haftfestigkeit mit abnehmender Schichtstärke wächst,
werden für stärker belastende Verbindungen Schichtstärken
von höchstens 10 µm bevorzugt. Jede Magnetitschicht ist
auf zwei aneinanderstoßenden Flächen verankert, so daß
die Eigenspannungen der zusammengewachsenen, die Teile
verbindenden Schicht wesentlich kleiner als in frei
gewachsenen Magnetitschichten sind. Ein Abplatzen der
Verbindungsschicht wurde bei üblicher Belastung der Bauteile
nicht beobachtet.
Die mit Zapfen und Bohrungen versehenen gepreßten Teile
werden vor dem Sintern zusammengesteckt, als zusammengesetztes
Bauteil gesintert und dann mit einer Magnetitschicht
versehen, die die einzelnen Teile stoffschlüssig
miteinander verbindet. Bei einer anderen Ausführungsform
des Verfahrens werden die einzelnen Teile getrennt
gesintert, die gesinterten Teile zu dem Bauteil zusammengesetzt
dann mit Magnetit beschichtet. Besonders hohe
Verbindungsfestigkeiten werden erreicht, wenn das zusammengesetzte
Bauteil erst nach dem Kalibrieren mit der
Magnetitschicht versehen wird. Das gebildete Magnetit
füllt dabei die verbliebenen kleinen Spalten und Poren
zwischen den aneinanderstoßenden Teilen vollständig und
offenbar in einer für die Verbindungsfestigkeit sehr vorteilhaften
Dicke aus.
Zum Aufbringen der die Einzelteile des zusammengesetzten
Bauteils verbindenden und das Bauteil gegen Korrosion
schützenden Magnetitschicht sind grundsätzlich alle
bekannten Oxidationsmittel geeignet. Besonders wirkungsvoll
ist überhitzter Wasserdampf, der auch bei sehr dünnen
Spaltweiten zwischen aneinanderstoßenden Einzelteilen
festhaftende, die Spalten vollständig füllende Magnetitschichten
ergibt. Die Fe₃O₄-Schicht ist als keramische
Schicht empfindlich gegen Zugspannungen, die sich in
Anordnungen dieser Art aufbauen. Die erfindungsgemäße
Lösung vermeidet im wesentlichen die Belastung der verbindenden
Schicht mit Zugspannungen. Durch Ineinanderstecken
der Einzelteile erreicht man, daß eine verbindende
Fe₃O₄-Schicht ausgebildet wird, in der nur Schubspannungen
auftreten. Die Verbindung überträgt hohe Momente und
Axialkräfte.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen und
Beispielen erläutert. In den Fig. 1 und 2 sind aus mehreren
Teilen zusammengesetzte Bauteile im Schnitt dargestellt.
Die gesinterten Eisenbuchsen 1 und 2 mit den Abmessungen
Buchse 1:
4 mm - Innendurchmesser
8 mm - Außendurchmesser
6 mm - Höhe
4 mm - Innendurchmesser
8 mm - Außendurchmesser
6 mm - Höhe
Buchse 2:
8 mm - Innendurchmesser
15 mm - Außendurchmesser
6 mm - Höhe
8 mm - Innendurchmesser
15 mm - Außendurchmesser
6 mm - Höhe
werden ineinandergesetzt. Die mittlere Spaltbreite zwischen
den Buchsen 1 und 2 betrug etwa 8 µm. In einem Dampfbehandlungsofen
wurden die Buchsen bei 540°C sechs Stunden
mit Wasserdampf beaufschlagt und im Spalt zwischen Buchsen 1
und 2 eine die Buchsen miteinander verbindende Magnetitschicht
gebildet. Nach der Dampfbehandlung wurden die Teile
auf eine Werkstoffprüfmaschine auseinandergedrückt. Die
axialen Verschiebekräfte betrugen 2000 N.
Buchsen aus Sintereisen 1 und 2 mit den Abmessungen
Buchse 1:
4 mm - Innendurchmesser
8 mm - Außendurchmesser
6 mm - Höhe
4 mm - Innendurchmesser
8 mm - Außendurchmesser
6 mm - Höhe
Buchse 2:
8 mm - Innendurchmesser
12 mm - Außendurchmesser
6 mm - Höhe
8 mm - Innendurchmesser
12 mm - Außendurchmesser
6 mm - Höhe
wurden mit leichtem Preßsitz ineinandergesteckt. Die
mittlere Spaltbreite zwischen den Buchsen betrug etwa 6 µm
und zum Verschieben beider Buchsen relativ zueinander
war eine Axialkraft von 400 N nötig.
Nach der im Beispiel 1 beschriebenen Dampfbehandlung
betrugen die Ausstoßkräfte mehr als 10 000 N, wobei
Versagen nicht durch Zerstörung der Magnetitschicht,
sondern durch Bruch der Buchse 2 auftrat.
Zwei aus Eisenpulver mit einem Kupfergehalt von einem
Prozent gepreßte Ringe 3 und 4 mit den Maßen -
12 mm - Innendurchmesser
24 mm - Außendurchmesser
5 mm - Höhe
24 mm - Außendurchmesser
5 mm - Höhe
wurden aufeinandergelegt und in die Bohrung in eine aus Eisenpulver
mit einem Kupfergehalt von 5% gepreßten Buchse 5
geschoben, deren Abmessungen
8 mm - Innendurchmesser
12 mm - Außendurchmesser
10 mm - Höhe
12 mm - Außendurchmesser
10 mm - Höhe
waren. Das zusammengesteckte Bauteil wurde bei 1120°C
gesintert und bei 530°C fünf Stunden mit Wasserdampf
beaufschlagt. Wegen der unterschiedlichen Maßänderungen
von Ringen und Buchse beim Sintern kommt es zu einer
engeren Verzahnung der Teile, so daß die Trennkraft
etwa 22 kN betrug. Mit einer Magnetitschicht versehene
Bauteile haben eine Trennkraft von 29 kN.
Ringe 3 und 4 und Buchse 5 mit den gleichen Maßen wie im
Beispiel 3, aber bestehend aus einer Eisenlegierung mit
einem Prozent Kupfer wurden getrennt bei 1120°C
gesintert, die Teile wurden zusammengesteckt und das
Bauteil kalibriert. Durch die Verformung der Buchse 5
beim Kalibrieren kommt es zu einer partiellen Verzahnung
mit den Ringen 3 und 4. Die Auspreßkraft der Buchse
betrug 2,5 kN. Durch eine Wasserdampfbehandlung wie in
Beispiel 3 und die Bildung der Magnetitschicht auf den
Oberflächen der Teile erhöht sich die Auspreßkraft auf
etwa 25 kN.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung eines aus mehreren Teilen
zusammengesetzten Bauteils aus Sintereisen oder
Sinterstahl, dadurch gekennzeichnet,
daß
- a) Bohrungen und Zapfen aufweisende Formlinge aus Eisen- oder Stahlpulver hergestellt,
- b) die geformten Teile zu einem Bauteil zusammengesteckt und
- c) die Teile durch Aufbringen einer Magnetitschicht auf ihre Oberfläche stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Formlinge mit konischen
Bohrungen und Zapfen hergestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zusammengesetzte Bauteile mit
aneinanderstoßenden Flächen verwendet werden, deren
Abstand höchstens 20 µm beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zusammengesteckte Bauteile mit
aneinanderstoßenden Flächen verwendet werden, deren
Abstand höchstens 10 µm beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Formlinge zusammengesteckt
werden und das zusammengesetzte Bauteil gesintert und
nach dem Sintern mit einer Magnetitschicht versehen
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Formlinge
zusammengesteckt wurden und das zusammengesteckte
Bauteil gesintert, kalibriert und nach dem Kalibrieren
mit einer Magnetitschicht versehen wird.
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Owner name: KREBSOEGE SINTERHOLDING GMBH, 42477 RADEVORMWALD, |
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Owner name: GKN SINTER METALS HOLDING GMBH, 42477 RADEVORMWALD |
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Owner name: GKN SINTER METALS GMBH, 42477 RADEVORMWALD, DE |